LTE研究笔记六: MIMO多天线技术

不断提高空中接口的吞吐量是无线标准的发展目标. MIMO多天线技术是物理层的关键技术，可以大大提高LTE的吞吐量. MIMO技术和OFDM技术一起被称为LTE的两个最重要的物理层技术. MIMO技术的许多原理都涉及线性代数的一些知识（我也不想学习如何用乳胶之类的东西来写矩阵. ），有一个很多内容，我主要是想学习LTE理解，只是学习一些协议，并且不想对天线有太多的了解，所以我只是摘了本书的一部分作为笔记.

最早的多天线技术是一种接收分集技术. 多个接收信道同时处于深度衰落中的概率远小于单个天线信道处于深度衰落中的概率. 接收分集可以提高无线传输的可靠性，并且更容易在基站侧布置多个接收天线以实现上行链路接收分集. 然而，在终端侧布置多个天线会增加移动电话的复杂度和成本，并且难以实现. 您可以在基站侧实现发射分集（多个天线发射相同的数据流）以提高下行链路发射的可靠性吗？人们试图这样做，但是发现多个天线发送相同的数据流，它们相互干扰，甚至相互抵消，不能起到分集的作用. 为了实现发射分集，必须解决发射天线之间无线链路的正交性. 最终克服了多天线正交性的问题，MIMO技术成熟了.

由于数据是不可见的和无形的，因此如图所示，将数据视为从仓库A转移到仓库B的数据.

装载点A1中有1/3的货物到达卸载点B1，2 / 3到达卸载点B2；装货点A2有3/4的货物到达卸货点B1，有1/4的货物到达卸货点B2. 在B1丢失了一件货物，在B2丢失了两件货物. 因此，在装载点x1，x2处的货物数量与在卸载点y1，y2处的数量之间的关系如下:

上述定量关系可以用矩阵关系表示:

从类似的想法中学习，您可以为MIMO系统构建数学模型. 在发射端和接收端设置多个天线，如图

上面的s1，s2和r1，r2之间的关系可以用以下矩阵表示:

（实际上，请记住，H矩阵是接收天线的数量x发射天线的数量，不需要记住它）.

MIMO系统是一种在发射端和接收端同时使用多个天线的技术. 从广义上讲，SISO，SIMO和MISO也是MIMO的特例.

Shannon给出了具有单发射天线和单接收天线的SISO无线信道的极限容量的公式:

B是信道带宽，S / N是接收端的信噪比. 根据Shannon公式，增加SNR或带宽可以增加无线信道容量. 但是传输功率P和带宽是有限的. 在某些带宽条件下，无论SISO使用哪种编码和调制方法，系统容量都不能超过Shannon公式的限制. 当前广泛使用的Turbo码和LDPC码使信道容量接近信道容量限制.

但是在多天线的情况下，信道容量随着接收天线Mr的增加而增加，并且两者具有对数关系；信道容量也随着发射天线数Mt的增加而增加，并且两者都是对数关系；

也就是说，发射分集和接收分集可以改善接收端的信噪比，从而提高信道容量和频谱效率，但是信道容量的增加也受到限制，仅在对数关系中.

随着发射或接收端较小天线的最小值（Mr，Mt）的增加，MIMO系统的容量将线性增加（而不是对数）.

例如，您可以从MIMO系统的极限容量公式中读取. 具有2×2天线配置的MIMO系统和具有2×4天线的MIMO系统的极限容量接近. 由于天线的最小数量相同，因此均为两个. 然而，将发射天线的数量加倍并不是没有用的. 发射天线的数量增加一倍，在分集中发挥了作用，从而提高了接收端的信噪比. 尽管两者的最终容量相同，但是2×4天线配置将增加平均下行链路容量.

阵列增益: 当单个天线的发射功率恒定时，增加天线数量可以使接收端通过多个信号的相干组合来提高平均信噪比（SNR）. 阵列增益与天线数（M）的对数lg（M）密切相关. 阵列增益可以提高系统覆盖率.

功率增益: 当覆盖范围恒定时，增加天线数量可以降低天线端口的发射功率，从而可以降低对设备功率放大器线性范围的要求. 如果单个天线的发射功率不变，则使用多个天线等效于增加总发射功率，从而增加覆盖范围.

分集增益: 同一信号通过不同的路径到达接收端，可以有效地抵抗多径衰落并减少接收端的SNR波动. 独立衰落分支的数量越多，接收端的信噪比波动越小，分集增益越大. 分集增益可以改善系统覆盖范围并提高链路可靠性.

空间复用增益: 增加极限容量并提高峰值速率. 在天线彼此不相关的前提下，MIMO信道的容量可以随着接收天线和发射天线的最小数目而线性增加. 这种容量增加就是空间复用增益.

干扰抑制增益: 在多天线系统中，对于空间中存在的干扰有一定的统计定律. 使用信道估计技术，选择了不同的天线映射算法，并选择了适当的干扰抑制算法以减少干扰.

MIMO系统是空中多个信号流的并行传输. 在发送端输入的数据流变成几个并行符号流，分别从Mt天线同时发送；接收端从Mr接收天线接收信号并恢复原始信号.

多个信号流可以是不同的数据流，也可以是同一数据流的不同版本.

不同的数据流是不同信息的同时传输，这意味着信息传输效率得到提高，无线通信效率得到提高.

并行传输相同数据流的不同版本，这些版本具有相同的信息和不同的表达式，以确保接收端接收到的信息的准确性并提高信息传输的可靠性.

提高信息传输效率的工作模式是MIMO复用模式； MIMO分集模式是提高信息传输可靠性的工作模式.

空间多路复用（SM）的想法是将高速数据流分为几个较低速率的数据流，然后在不同的天线上进行编码，调制和发送. 天线彼此独立. 一个天线相当于一个独立的信道. 使用空间均衡器分离接收到的信号，然后进行解调和解码，并合并几个数据流以恢复原始信号，如图所示.

将一个数据通道转换为多个数据通道的方法是贝尔实验室提出的时空传输方法: 时空编码（STC）或BLAST（贝尔实验室分层时空）技术.

将数据作为要转移的货物. 为了快速传输（重用），可以将其放置在不同的位置（空格），并且可以更改交货时间. “不同的天线”是时空编码中“空间”的概念； “不同的OFDM周期”是空时编码中的“时间”的概念. 时空编码的最小单位是TB块（传输块）. TB块是子帧中包含的预编码比特的数目，并且由许多RB组成. 一个TTI是1ms.

用于空分复用（SM）的两种常用时空编码技术是: 预编码，PARC（每个天线速率控制，每日线路速率控制）.

预编码技术将原始数据流的两个符号划分为一组以进行转换. 例如，一组是“ s1，s2”，将其转换为并行数据流“ z1，z2”，然后分别通过不同的天线发送，如图所示. 两者之间的关系是:

V矩阵是预编码矩阵，它是负责将数据流转换为天线端口的数学转换公式.

PARC不执行符号转换，而是根据每个天线的信道条件直接调整其信息传输速率. 天线信道良好，速度较快，否则速度较慢. 速率本身也是一种时空编码，除了一个天线较快而另一根较慢. 在天线端口，PARC的时空编码完成的工作是直接在天线端口传输两个调整后的数据列，以进行传输而无需转换.

空间分集（SD）的想法是制作相同数据流的不同版本，进行编码，调制，然后在不同的天线上发送它们，如图所示. 数据流也可以是经过一定数学变换后由原始数据流形成的新数据流. 同一件事，不同的外观. 使用空间均衡器分离接收到的信号，然后对其进行解调和解码，并合并同一数据流的不同接收到的信号以恢复原始信号. 空间多样性可以在可靠地传输数据中发挥作用.

无论是复用技术还是分集技术，都涉及将一个数据通道转换为多个数据通道的技术，以及实时空编码技术.

空间分集中常用的技术包括STBC（空时块编码），SFBC（空频块编码），TSTD / FSTD（时/频转换传输分集）和CDD（循环延迟分集）. / p>

STBC的主要思想是在空间和时间的两个维度上排列不同版本的数据流，这可以产生时间和空间分集的效果，从而降低信道错误率并提高可靠性. 如图所示，天线1上的两个符号s1和s2分别放置在一个子帧中两个时隙的第一OFDM符号周期上. 天线2上的两个符号交换时隙位置并更改其另一个A版本-s2 *，s1 *分别放置在此子帧的两个时隙上.

SFBC的主要思想是在空间和频率两个维度上排列不同版本的数据流，这可能会产生空间分集和频率分集的影响. 在天线1上，两个符号s1和s2分别布置在两个相邻的子载波上. 在天线2上，这两个符号交换子载波的位置并更改其其他版本-s2 *，s1 *分别放在这两个子载波上.

TSTD还将数据流的不同部分按时空二维排列，这具有时空分集的效果. 在天线1和天线2的时隙位置处，符号流s1和s2以十字图案布置，并且将符号排队以进行发送. 在第一个符号周期中，此符号在天线1上发送，下一个符号周期被置于天线2上. 发射lte 分集技术，依此类推.

TSTD / FSTD技术的矩阵表示如图所示，

多天线技术主要涉及以下四种类型: 空间复用，空间分集，空分多址（SDMA）和波束成形.

使用天线之间的不相关性来实现空间分集. 这种无关性要求天线间隔必须大于10个电磁波波长. 目标是提高链接质量，而不是链接容量.

通过利用天线之间的不相关性也可以实现空间复用. 通常，需要多个发送和接收天线，这是MIMO方法或智能天线方法. 在复用过程中，为了提高链路容量（峰值速率）而不是链路质量，并行传输和接收多个数据流.

空分多址使用相同的时隙和相同的子载波，但使用不同的天线为多个终端用户传输数据. 如果要区分不同用户的数据，则需要天线之间不相关. 空分多址的主要目的是按空间区分用户，在链接上容纳更多用户，并增加容量.

波束成形利用电磁波的相干特性将电磁波的能量（束）聚焦在特定方向上. 与上述三种不同，波束成形使用天线阵列元件之间的相关性. 因此，波束成形要求天线之间的距离较小，通常距离约为波长的1/2. 主要目的是增强覆盖范围并抑制干扰. 使用波束成形的多天线技术是传统的智能天线（Smart Antenna）技术，也称为AAS（自适应天线系统，自适应天线系统）. TD-SCDMA系统的关键技术是智能天线.

MIMO主要使用天线之间的不相关性，而智能天线主要使用天线之间的相关性. MIMO可以有效克服多径效应；智能天线克服多径的能力有限，但具有更好的抗干扰效果.

MIMO系统可以根据不同的系统条件和不断变化的无线环境采用不同的操作模式. 该协议定义了以下7种MIMO操作模式:

将货物运输港口分为三个步骤的过程:

第1步: 选择打包模式（类似于传输块TB的形成）；

第2步: 根据商品类型和到达的目的地执行初步分类（类似于图层映射）；

第3步: 选择运输公司（选择预编码矩阵）.

确定运输公司后，运输公司选择港口，托运人无需关心其从哪个港口寄出.

不同的港口对应不同的运输公司和运输渠道. 如何选择要发送货物的港口？

有两种方式: 开环和闭环.

开环是根据港口的情况判断货物，而无需等待接收方确认货物的质量.

闭环正在等待收货人对交付质量的反馈，以决定选择哪种包装方法和运输公司.

以发送图片为例. 在手机的高级管理人员处理完照片后，这些照片将变成具有说服力的比特流. 此过程是源代码编码的过程. 这些告诉以某种方式将比特流打包并封装在MAC层中以形成传输块（TB）. TB是从MAC层传输到物理层的货物. TB是包含信道编码之前的比特数据的子帧，并且时间长度是1ms（一个TTI）. TB由许多RB组成，即TB块的大小取决于调度程序分配给用户的资源量，调制和编码方法以及天线映射方法.

图片变成TB块并发送到LTE物理层.

当TB块到达物理层时，必须首先对其进行通道编码.

信道编码的目的是使数据流具有纠错能力和抗干扰能力. 通道编码是按照一定的规则在源比特数据流中添加一些冗余比特，接收端可以用来判断或纠正错误.

常用的信道编码规则是Turbo编码. 如香农公式所示，Turbo码接近于信道容量. 但是，在数据量较大的情况下，LDPC（低密度奇偶校验码）可以获得比Turbo码更高的编码增益，同时可以降低接收端的解码复杂度，这是值得称赞的. 由许多公司提供.

信道编码的目的是提高无线通信的可靠性，但它增加了冗余位，减少了有用信息数据传输的比例，并增加了系统开销.

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