【IUV大课堂】LTE多天线技术

IUV在线仿真2020-07-03 09:07:01

  本次系列课程,将主要从LTE网络原理、LTE多址技术、LTE 多天线技术、LTE 基本业务及流程等方面给大家作介绍;旨在给大家带来更加全面、深入的关于LTE的原理、技术、构架等方面内容。


《LTE网络原理》
LTE多天线技术
MIMO基本原理

  MIMO (Multiple Input Multiple output:多输入多输出)技术在LTE系统中是提升频谱效率的关键技术之一。其主要思想是在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线,利用传统通信系统中存在的多径衰落影响因素变成多径传播,为系统提供空间复用增益和空间分集增益。其中空间复用技术可以大大提高信道容量,而空间分集则可以提高信道的可靠性,降低信道误码率。


  无线通信系统中通常采用如下几种传输模型:单输入单输出系统SISO、多输入单输出系统MISO、单输入多输出系统SIMO和多输入多输出系统MIMO。

  提高天线系统的性能和效率,将会直接给整个系统带来可观的增益。传统天线系统的发展经历了从单发/单收天线SISO,到多发/单收MISO,以及单发/多收SIMO天线的阶段。为了减小信道时变和多径效应对信号传输的影响,人们不断的寻找新的技术。时间分集(时域交织)和频率分集(扩展频谱技术)技术就是在传统SISO系统中抵抗多径衰落的有效手段,而空间分集(多天线)技术就是MISO、SIMO或MIMO系统进一步抵抗衰落的有效手段。

LTE系统中常用的MIMO模型有下行单用户MIMO(SU-MIMO)和上行多用户MIM(MU-MIMO)。

  • SU-MIMO(单用户MIMO):指在同一时频单元上一个用户独占所有空间资源,即单个UE直接和eNB之间做空分复用,说明UE至少支持2天线接收。

  • MU-MIMO(多用户MIMO):考虑到终端的设计和功耗,一般终端天线数目有限。该种模型下每个终端都是采用1根发射天线,多个终端同时使用相同的时频资源块进行联合上行传输,系统侧接收机对上行多用户混合接收信号进行联合检测,恢复出各个用户的原始发射信号。该模式相当于一种空分多址技术,这时的预编码还要和多用户调度结合起来。上行MU-MIMO是大幅提高LTE系统上行频谱效率的一个重要手段,但是无法提高上行单用户峰值速率。

MIMO系统模型

  MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)的系统原理图如下:


  假定发送端有Nt个发送天线,有Nr个接收天线,在收发天线之间形成Nr × Nt信道矩阵H。 MIMO系统的信号模型可以表示成矩阵形式为:r=Hx+n


  其中:xj(j=1, 2 ,……Nt )表示第j号发射天线的信号,r i(i=1, 2 ,…… Nr)表示第i号接收天线的信号,hij表示第j号发射天线到第i号接收天线的信道衰落系数,噪声信号ni是统计独立的复零均值高斯变量。

调制解调原理

  为了满足系统中高速数据传输速率和高系统容量方面的需求,LTE系统的下行MIMO技术支持4×2/2×2的基本天线配置。下行MIMO技术主要包括:空间分集、空间复用及波束成形3大类。与下行MIMO相同,LTE系统上行MIMO技术也包括空间分集和空间复用。在LTE系统中,应用MIMO技术的上行基本天线配置为1×4/1×2,即终端使用单天线发送,系统侧采用2或4天线接收。考虑到终端实现的复杂度,上行不支持终端进行2天线发送,仅支持上行天线选择和多用户MIMO两种方案。 MIMO主要处理步骤有层映射和预编码两个流程。


MIMO关键技术
  • 空间分集采用多个收发天线的空间分集可以很好的对抗信道的衰落。空间分集分为发射分集、接收分集和接收发射分集三种。

  • 发射分集是在发射端使用多个天线发射信息,通过对不同的天线发射的信号进行编码达到空间分集的目的,接收端可以获得比单天线高的信噪比。发射分集中层映射层数、预编码的输入输入路数与用于发射的天线端口数相等,根据协议,下行支持4发或2发,下图为2发发送分集示意图。


  发射分集包含空时发射分集(STTD)、空频发射分集(SFBC)和循环延迟分集(CDD)几种。

  • 空时发射分集:通过对不同的天线发射的信号进行空时编码达到时间和空间分集的目的。空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度,以减小由于信道衰落和噪声导致的符号错误概率,从而使得信号在接收端获得时间和空间分集增益。可以利用额外的分集增益提高通信链路的可靠性,也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。典型空时编码方式有空时格码(Space-Time Trellis Code,STTC) 和空时分组码(Space-Time Block Code,STBC)。


  • 空频发射分集:是对发送的符号进行频域和空域编码,将同一组数据承载在不同的子载波以获得频率分集增益。两天线原理图如下所示。


  • 循环延迟分集:利用CP特性采用循环延时操作,在不同的发射天线上发送具有不同相对延时的同一个信号, 人为地制造时延,能够获得时间分集增益。其延迟是通过固定步长的移相(Cyclic Shift,循环移相)来实现 。


  • 接收分集:指多个天线接收来自多个路径或信道所承载的同一信息的多个独立的信号副本。 由于不同信道不可能同时处于深衰落情况中,在任一给定的时刻至少可以保证有一个足够强度的信号副本到达接收机进行解调,从而提高了接收信号的信噪比。接收分集原理如下图所示。


好啦~

本期的大课堂暂告一段落啦~

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咱们下期再见!!





《MIMO关键技术》


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