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  • LTE之多天线技术
    2021-06-13 21:49:37

    1 什么是多天线技术?

    多天线技术是LTE的又一关键技术,多天线的概念是相对与单天线而言的。
    多天线系统指的是收发双方任意一方配备了多天线。
    多天线系统的缺点:1)单从接收方来说,部署多天线意味着更高的硬件成本、建设成本和维护成本;从发送端的角度,除了上述1)的问题,还有更多的功放、更高的功耗的问题(功放的功耗比较大)。但是多天线技术也由很多的优点,下面列举出来,并写出对应所采用的关键技术:1)提高信号强度,采用的是波束赋形技术;2)提高信号的稳定性,采用的是分集技术;3)提高频谱利用率,采用的是空间复用技术。下面分别对多天线技术的波束赋形、分集技术以及MIMO技术进行简要的介绍。

    2 多天线技术之波束赋形

    提高信号强度的方法有很多。比如提升发射功率、减少距离、提高天线增益等。其中,利用多天线技术进行波束赋形,提高天线增益,从而提升信号强度、这里对波束赋形不做深入的介绍。

    3 多天线技术之分集技术

    对于通信来说,稳定是非常重要的。信号的不稳定主要是信号大幅度衰落导致的。分集技术就是一种对抗信号大幅衰落的好方法。
    分集技术的分,指的是多路,集,就是集中,也就是同时接收多条传播路径上的信号,然后合并接收到的多路信号,获得相应的信息。在分集技术中,由于传播路径互不相干,因此多条传播路径上同时发生信号衰落的概率很低。
    分集有多种实施方式:空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、路径分集以及角度分集。空间分集在不同地点假设天线,利用空间的差异实现不同天线传播路径之间的不相干,从而实现分集。空间分集根据使用的天线的数量,称为几重分集;极化分集,利用电磁波传播的方向性来实现传播路径的差异化;时间分集,利用各个传播路径在时间上的差异,从而避开深衰落。
    【补充】不相干的概念:不相干就是不同的传播路径之间相互独立,对于空间分集来说,不相干要求天线的距离大于10个波长;对于时间分集,不相干要求时间差异大于载波周期;对于极化分集,不相干要求采用不同的极化方式(水平或垂直)。

    分集分为发射分集和接收分集。接收分集的应用更加普遍。
    1)接收分集,接收机利用多条不相干的传播路径,同时接收这些路径上的信号,并加以合成的技术。也就是说接收端有多根天线。从接收机的角度看,实施接收分集是一种积极的态度,需要主动去挖掘各个不相干的传播路径,因此需要接收机部署多天线。接收机可以采用多种方式合并分集信号,分集信号的合并方式有等增益合并、选择性合并和最大比合并。接收分集主要用于基站,基站实施接收分集非常简单,只需要配置多根分集的天线,然后基站从这些天线得到多路信号,多路信号可以采用最大比合并。接收分集广泛应用于PHS、GSM、WCDMA、CDMA、LTE等移动通信系统的基站,其性能稳定,经久考验。
    2)发射分集,发射机创造多条不相干的传播路径,同时在这些路径上发射信号,为接收机多路接收提供可能。也就是说发射端有多根天线。

    支持分集的多天线:多天线是实施分集的必要条件,用于分集的多天线分为空间分集和极化分集合两大类。移动通信中更常见的是基于极化分集的天线,也就是双极化天线。

    4 多天线技术之空间复用技术(MIMO)

    4.1 复用与分集

    复用是指在同一个传播路径上传送多路独立的信号,也就是说,不同信号,共同的通道。在发送端对应多个独立信号合成为一个多路信号,主要目的是为了提高某一传送通道的资源利用率。比如我们熟悉的OFDM技术,就是频分复用。对于频分复用,区分的是频率,可复用的通路资源是时隙、空间、码;时分复用,区分的是时隙,可复用资源是频率、空间、码;码分复用,区分的是正交码,可复用的资源是时隙、频率、空间;空分复用,区分的是空间,可复用资源是时隙、频率、码。
    分集是指多路彼此独立的传输路径上传送同一信号。主要目的是提高信号传送的可靠性、正确性。

    4.2 复用与多址

    复用和多址的共同特点是在某一共同资源上传送多给数据流。但复用不管多个数据流是否来自于同一个用户,而多址是区分不同的用户的。

    4.3 MIMO

    空间复用是多天线的一种应用,最大的优点就是提升调制效率,也就是单位带宽上可以传输更多的比特信息。这样不用增加带宽,也可以实现吞吐量的提升。
    空间复用的关键:层,层代表的是空间上可区分、可分离的传输通道,也就是正交的传输通道,一层就是空间上的一路传输通道,两层就是空间上的两路正交传输通道,依此类推。层的最大数量不超过接或发的天线数量,也就是收、发天线数量的最小值。不过最大层数只是定义了一个边界值,实际的无线环境决定了可用层数。无线环境可以利用多天线的传输矩阵来定理描述,而可用层等于该传输矩阵的秩(不相关的列向量的最大个数)。已知接收R和传输矩阵H,就可以球的发送的信号S。
    MIMO系统根据发端的多个信号流是否相同,可以分为两种模式:
    1)如果是不同的数据流,就是MIMO的复用模式,也就是空间复用模式;
    2)如果是相同的数据流,就是MIMO的分集模式,也就是空间分集模式,特殊地,SIMO,相当于接收分集,MISO,相当于发射分集。

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    1.MIMO基本原理

    最早的多天线技术是一种接收分集技术。多条接收通道同时处于深度衰落的可能性比单天线通道处于深度衰落的可能性小很多。接收分集可以提高无线传输的可靠性,基站侧布置多个接收天线实现上行接收分集较为容易。但终端侧布置多个天线会提高手机复杂度和成本,实现较困难,那能不能在基站侧实现发射分集(多天线发射相同的数据流)来提高下行传输可靠性呢?人们尝试这样做,但发现多天线发送相同的数据流,他们是相互干扰的,甚至会相互抵消,起不到分集的作用。想要实现发送分集,必须解决发送天线之间无线链路的正交性问题。多天线正交性的问题最终被攻克,于是MIMO技术成熟。


    1.1 数学模型

    由于数据看不见摸不着,把数据看作从仓库A搬运到仓库B的货物,如图所示。


    装货点A1有1/3的货物到了卸货点B1,2/3到卸货点B2;装货点A2有3/4货物到了卸货点B1,有1/4到卸货点B2。在B1有1个货物的损失,在B2有两个货物的损失。于是装货点的货物数量x1、x2和卸货点数量y1、y2数量关系如下:


    可以用矩阵关系表示上述数量关系:


    借鉴类似思路,可以给MIMO系统建立数学模型。在发射端和接收端分别设置多个天线,如图


    上面s1、s2和r1、r2的关系可以用如下矩阵表示:


    (其实只要记H矩阵是接收天线数×发射天线数就行了,也不用死记硬背)。

    MIMO系统是在发射端和接收端同时采用多天线的技术,广义上SISO,SIMO,MISO也是MIMO的特例。


    1.2 极限容量

    香农给出了单发射天线、单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式:


    B为信道带宽,S/N为接收端信噪比。由香农公式,提高SNR或带宽可以增加无线信道容量。但发射功率P和带宽都是有一定限度的。在一定带宽条件下,SISO无论采用什么样的编码和调制方式,系统容量都不可能超过香农公式极限。目前广泛使用的Turbo码、LDPC码,使信道容量逼近了信道容量极限。

    但多天线的情况下,信道容量随着接收天线数量Mr的增加而增加,两者为对数关系;信道容量也随着发射天线数量Mt的增加而增加,两者也为对数关系;

    也就是说发射分集和接受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,但对信道容量的提升也是有限的,仅为对数关系。

    MIMO系统容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min(Mr,Mt)的增加而线性增加(不是对数增加)。

    例如,从MIMO系统极限容量公式可以看书,2×2天线配置的MIMO系统和2×4天线配置的MIMO系统的极限容量是接近的。因为二者的最小天线数目一样,都是2。但发射天线数目翻倍也不是一点作用都没,发射天线数目翻倍起到了分集作用,改善了接收端信噪比。两者虽然极限容量一样,但2×4的天线配置方式,下行的平均容量会提高。


    1.3 多天线技术增益

    阵列增益:在单天线发射功率不变的情况下,增加天线个数,可使接收端通过多路信号的相干合并,获得平均信噪比(SNR)的增加。阵列增益是和天线个数(M)的对数lg(M)强相关的,阵列增益可以改善系统覆盖。

    功率增益:覆盖范围不变时增加天线数目可以降低天线口发射功率,继而可以降低对设备功放线性范围的要求。若单天线发射功率不变,采用多天线发射相当于总的发射功率增加,从而增加覆盖范围。

    分集增益:同一路信号经过不同路径到达接收端,可以有效对抗多径衰落,减少接收端SNR的波动。独立衰落的分支数目越大,接收端信噪比波动越小,分集增益越大。分集增益可以改善系统覆盖,增加链路可靠性。

    空间复用增益:提高极限容量和改善峰值速率。在天线间互不相关前提下,MIMO信道的容量可随着接收天线和发射天线二者的最小数目线性增长。这个容量的增长就是空间复用增益。

    干扰抑制增益:多天线收发系统中,空间存在的干扰有一定的统计规律。利用信道估计技术,选取不同的天线映射算法,选择合适的干扰抑制算法,可降低干扰。


    2.MIMO的工作模式

    MIMO系统就是多个信号流在空中的并行传输。在发射端输入的数据流变成几路并行的符号流,分别从Mt个天线同时发射出去;接收端从Mr个接收天线将信号接收下来,恢复原始信号。


    多个信号流可以是不同的数据流,也可以是同一个数据流的不同版本。

    不同的数据流就是不同的信息同时发射,意味着信息传送效率的提升,提高了无线通信的效率。

    同一个数据流的不同版本,就是同样的信息,不同的表达方式,并行发射出去,确保接受端收到信息的准确,提高信息传送的可靠性。

    为提高信息传送效率的工作模式,就是MIMO的复用模式;为提高信息传送可靠性的工作模式,就是MIMO的分集模式。


    2.1 空分复用模式

    空分复用(Space Multiplexing,SM)思想是把1个高速的数据流分割为几个速率较低的数据流,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送。天线之间相互独立,一个天线相当于一个独立的信道,接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将几个数据流合并,恢复出原始信号,如图所示。


    一路数据变为多路数据的方法是贝尔实验室提出的时空转移大法:空时编码(Space Time Coding,STC),即BLAST(Bell Labs Layered Space-Time)技术。

    将数据看作待转运的货物,为了快速地转运(复用)出去,可以把它安排在不同的地点(空间),也可以变换交货的时间。“不同的天线”就是空时编码中“空间”的概念;“不同的OFDM周期”就是空时编码中“时间”的概念。空时编码的最小单位是TB块(Transport block,传输块),TB块是一个子帧内含有的编码前比特数,由很多个RB组成。一个TTI是1ms。

    空分复用(SM)常用的空时编码技术有两种:预编码(Precoding)、PARC(Per Antenna Rate Control,每天线速率控制)。

    预编码技术把原始数据流两个符号分为一组进行变换,如某一组为”s1、s2“,转换成并行数据流”z1、z2“,然后分别由不同的天线发出去,如图所示。二者的关系式为:


    其中V矩阵就是预编码矩阵,他就是负责把数据流转换到天线端口的数学变换公式。

    PARC是不进行符号变换的,直接根据每个天线的信道条件调节其信息发送速率。天线信道好的,速率快一些,反之速率慢一些。速率本身也是一种时空编码,只不过一路天线速度快些,另一路慢些。在天线口,PARC的空时编码所做的工作就是直接把速率调节好的两列数据搬在天线口发射,可不做变换。


    2.2 空间分集模式

    空间分集(Space Diversity,SD)的思想是制作同一个数据流的不同版本,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送,如图所示,这个数据流可以是原来要发送的数据流,也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新数据流。同一个东西,不同的面貌。接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将同一数据流的不同接收信号合并,恢复出原始信号。空间分集可以起到可靠传输数据的作用。


    不管是复用技术还是分集技术,都涉及把一路数据变成多路数据的技术,即时空编码技术。

    空间分集常用的技术有STBC(空时块编码)、SFBC(空频块编码)、TSTD/FSTD(时间/频率转换传送分集)、CDD(循环延时分集)。

    STBC主要思想是在空间和时间两个维度上安排数据流的不同版本,可以有时间和空间分集的效果,从而降低信道误码率提高可靠性。如图所示,天线1上两个符号s1,s2分别放在1个子帧两个时隙的第一个OFDM符号周期上;天线2上这两个符号调换一下时隙位置,把他们的另一个版本-s2*、s1*分别放在这个子帧的两个时隙上。

    SFBC的主要思想是在空间和频率两个维度上安排数据流的不同版本,可以有空间分集和频率分集的效果。在天线1上,两个符号s1、s2分别安排在两个相邻的子载波上,在天线2上,这两个符号调换一下子载波的位置,把它们的另一个版本-s2*、s1*分别放在这两个子载波上。


    TSTD也是在空间和时间两个维度上安排数据流的不同部分,有空间和时间分集的效果。在天线1和天线2的时隙位置上,交叉安排符号流s1、s2,符号排队等待发射,在第一个符号周期,这个符号放在天线1上发射,下一符号周期则放在天线2上发射,以此类推。


    TSTD/FSTD技术的矩阵表示形式如图所示,


    2.3 多天线工作模式对比

    多天线技术主要指以下四种:空间复用、空间分集、空分多址(SDMA)、波束赋型。

    空间分集利用天线间的不相关性来实现,这个不相关要求天线间距在10个电磁波波长以上。目的是提高链路质量而不是链路容量。

    空间复用也是利用天线间不相关性来实现的。一般需要多个发射和接受天线,是一种MIMO方式,也可以是智能天线方式。在复用时,并行发射和接受多个数据流,目的是调高链路容量(峰值速率),而不是链路质量。

    空分多址是利用相同的时隙、相同的子载波,但不同的天线传送多个终端用户的数据。不同用户的数据如果要彼此相互区别就要求天线间的不相关性。空分多址的主要目的是通过空间上区别用户,在链路上容纳更多的用户,提高容量。

    波束赋型利用电磁波之间的相干特性,将电磁波的能量(波束)集中于某个特定的方向上。不同于以上三种,波束赋型利用的是天线阵元之间的相关性。因此波束赋型要求天线之间的距离小一些,通常在波长的1/2左右。主要目的是增强覆盖和抑制干扰。使用波束赋型的多天线技术,就是传统的智能天线(Smart Antenna)技术,也叫AAS(Adaptive Antenna System,自适应天线系统)。TD-SCDMA系统的关键技术就是智能天线。

    MIMO主要利用天线之间的不相关性,而智能天线主要利用天线间的相关性。MIMO可有效克服多径效应;而智能天线克服多径能力有限但抗干扰效果较好。


    2.4 MIMO工作模式小结

    MIMO系统可根据不同的系统条件、变化的无线环境采用不同的工作模式,协议中定义了以下七种MIMO的工作模式:

        1.单天线工作模式:传统个无线制式的天线工作模式。
        2.开环发射分集:利用复数共轭的数学方法,在多个天线上形成了彼此正交的空间信道,发送相同的数据流,提高传输可靠性。
        3.开环空间复用:在不同的天线上人为制造“多径效应”,一个天线正常发射。其他天线引入相位偏移环节。多个天线的发射关系构成复矩阵,并行地发射不同的数据流。这个复矩阵在发射端随机选择,不依赖接收端的反馈结果,就是开环空间复用。
        4.闭环空间复用:发射端在并行发射多个数据流的时候,根据反馈的信道估计结果,选择制造“多径效应”的复矩阵,就是闭环空间复用
        5.MU-MIMO:并行传输的多个数据流是由多个UE组合实现的,就是多用户空间复用。
        6.Rank=1的闭环发射分集:作为闭环空间复用的一特例,只传输一个数据流,也就是说空间信道的秩Rank=1。这种工作模式起到的是提高传输可靠性的作用,实际上是一种发射分集的方式。
        7.波束赋型:多个天线协同工作,根据基站和UE的信道条件,实时计算不同的相位偏移方案,利用天线之间的相位干涉叠加原理,形成指向特定UE的波束。

    3.MIMO系统的实现

    把货物运送的港口的过程分为三个步骤:

    步骤一:打包方式的选择(类似传输块TB的形成);

    步骤二:根据货物的种类和去往的目的地进行初步的分类(类似层映射);

    步骤三:运输公司的选择(预编码矩阵的选择)。

    运输公司确定好之后,由运输公司选择港口,而发货方无须关心由哪个港口发送。


    不同港口对应着不同的运输公司和运输航道。如何选择港口来发送货物?

    有两种方式:开环方式和闭环方式

    开环就是根据自己对港口的条件判断发货,无须等待接收货物方对发货质量的确认。

    闭环则要等待货物接收方对运送质量的反馈,来决定选择什么样的包装方式和运输公司


    3.1 信息处理过程(这一小节的知识涉及到很多通信技术)

    以发送图片为例,经过手机高层对照片的处理,把照片变成了告诉的比特流,这个过程就是信源编码的过程。这些告诉比特流要在MAC层按照一定的方式进行打包封装,形成传输块(TB)。TB就是MAC层传到物理层的货物。TB是一个子帧内含有信道编码前的比特数据,时间长度为1ms(一个TTI)。一个TB由很多个RB组成,也就是说,TB块有大有小,取决于调度器(Scheduler)分配给某用户的资源数量、调制编码方式、天线映射方式等。

    照片变成TB块,送到LTE物理层之后,所经过的处理如图。


    TB块到了物理层,首先要进行信道编码。

    信道编码的目的是使数据流具有纠错能力和抗干扰能力。信道编码是在源比特数据流中按照一定规则加入一些冗余比特,接收端可以用来判断或纠错。

    常用的信道编码规则是Turbo编码。Turbo码接近了香农公式所揭示的信道极限容量。但在大数据量的情况下,LDPC(低密度奇偶校验码)可获得比Turbo码更高的编码增益,同时还能降低接收端解码的复杂度,受到很多公司推崇。

    信道编码的目的是增加无线通信可靠性,但它增加了冗余比特,使有用信息数据传输比例减少,增加了系统开销。


    接下来的过程是交织。交织的过程是打乱原来的比特流顺序。这样做之后,连续的深衰落对信息的影响实际是作用在打乱顺序的比特数据流上;在恢复原来的顺序后,这个影响就不是连续的了,而是离散的,就可以方便地根据冗余比特恢复受干扰的原始数据。


    加扰是对编码后的数据逐比特地与扰码序列进行运算。扰码序列是一种PN序列(Pseudo-Noise Sequence,伪噪声序列)。PN码可以将数据间的干扰随机化,可以对抗干扰。同时使用PN序列加扰,类似给数据上了一把锁,而这个PN序列就是钥匙。在接收端,有了这把钥匙才能开始这把锁。也就是说加扰起到了保密的作用,可以对抗窃听。


    调制是将比特数据流映射到复平面上的过程,也叫复数调制。QAM是幅度、相位联合调制技术,它同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特。

    复平面这种数学工具很适合用来表示这种既有幅值调制,又进行相位调制的变换关系。

    如果说调制后的符号为x,x可以用I和Q来表示,即x=I+jQ。符号的I、Q分量,分别对应复平面的实部和虚部,也就是水平和垂直方向。

    复数调制的输入是由0、1组成的比特流,输出的是I、Q值。映射出来的I、Q分量,再采用幅度调制,分别调制在相互正交的两个载波(如cos wt和sin wt)上或相互正交的两个时隙上。

    LTE的复数调制有BPSK、QPSK、16QAM、64QAM。对比3G HSDPA中最高阶的调制方式仅到16QAM,而LTE中最高阶的调制方式可到64QAM。

    完成调制后,基带将进行MIMO相关的处理。将信道编码、调制后的比特数据流送到发射天线端口的过程有两个子过程:层映射和预编码。

     

    数据流的数量和发送天线数量是不一致的,将数据流比特送到不同的发送天线、不同时隙、不同子载波上,是一个复杂的数学变换过程。这个过程使用层映射和预编码来完成。

    为什么不把多路数据流通过一步数学变换,直接映射到天线口,而要增加一个中间层呢?

    中间层的增加好比从海口坐火车到哈尔滨,在中间站北京换乘一下;换乘站的增加使铁路交通系统的运输安排简化了。

    同样道理,增加层映射的目的就是为了将复杂的数学变换简单化。无线环境很复杂,要根据无线环境选择MIMO的应用模式,比如选择复用还是分集?如何复用或分集?

    层数(Layer)是由信道的秩确定的,而信道的秩代表着一定无线环境下,MIMO系统彼此独立的通道数。层数一般小于等于信道矩阵的秩,当然也小于等于物理信道传输所使用的天线端口数量P。

    层映射就是将编码调制后的数据流按照一定规则重新排列,将彼此独立的码字映射到空间概念层上。这个空间概念层是到物理天线端口的中转站。通过这样的转换,原来串行的数据流就有了初步的空间概念。


    预编码是将层数据映射到不同的天线端口,不同的子载波上,不同的时隙上,以便实现分集或复用的目的。预编码过程就是空时编码的过程。从编码调制后的数据发送到天线口的过程。以公司发货过程为例,层映射就是将自己的货物初步分类,而预编码过程则是运输公司安排不同的发货方式。

    预编码后的数据已经确定了天线端口,也就是说确定了空间维度的资源;在每个天线端口上,将预编码后的数据对应在子载波和时隙组成的二维物理资源(RE)上。接下来生成OFDM符号,插入CP,然后从各个天线端口发送给出去。


    在接收端,通过多天线接收机将接收下来的信号,从OFDM的时频资源读取相应的数据,经过预编码与层映射逆过程,然后解调、去扰、去交织、解码,最后恢复出原始信息比特。

    层映射、预编码及其逆过程,如同求解线性方程组的未知数一样,只不过发送过程和接受过程要求解的未知数不一样而已。

    到此为止,另一方就能接收到发送方发送的照片了。


    之后是层映射、预编码、自适应MIMO和多用户MIMO等详细的MIMO知识,不写了,感兴趣可以查看书本。

    传输块(Transport block)
    一个传输块就是包含MAC PDU的一个数据块,这个数据块会在一个TTI上传输,也是HARQ重传的单位。LTE规定:对于每个终端一个TTI最多可以发送两个传输块。这个是针对某个UE,而对于eNodeB,每个TTI调度的传输块就不止两个,因为可以同时调度多个UE。TB是MAC的概念。

    码字(codeword)
    一个码字就是在一个TTI上发送的包含了CRC位并经过了编码(Encoding)和速率匹配(Ratematching)之后的独立传输块(transport block)。LTE规定:对于每个终端一个TTI最多可以发送两个码字。通俗来说,码字就是带有CRC的TB。

    层映射(Layer mapping)
    将对一个或两个码字分别进行扰码(Scrambling)和调制(Modulation)之后得到的复数符号根据层映射矩阵映射到一个或多个传输层。层映射矩阵的维数为C×R,C为码字的个数,R为阶(Rank),也就是使用的传输层的个数。

    天线端口(Antenna Port)
    天线端口是逻辑概念,一个天线端口(antenna port)可以是一个物理发射天线,也可以是多个物理发射天线的合并。在这两种情况下,终端(UE)的接收机(Receiver)都不会去分解来自一个天线端口的信号,因为从终端的角度来看,不管信道是由单个物理发射天线形成的,还是由多个物理发射天线合并而成的,这个天线端口对应的参考信号(ReferenceSignal)就定义了这个天线端口,终端都可以根据这个参考信号得到这个天线端口的信道估计。

    码字个数、阶和天线端口数之间的关系
    传输块个数 = 码字个数(C )<=阶(R)<=天线端口数(P)

    后面三个名词概念是物理层最基本但又比较抽象。回到3GPP 36.211 6.3节,下行物理链路过程如下:

    码字,层,天线端口在整个下行过程中,是三个重要的数据源,在各种物理过程中扮演着各自角色。一方面作为输入,另一方面作为输出。最终目的都是为了更好的在空口以无线方式发射出去。每一部分的设计其实都很巧妙但又是利用了传统的通信原理。这里对加扰,调制这些基本信道过程不再描述,3GPP都有,也都是传统的通信原理知识,一般书上都能找到。
    对于测试工程师而言,物理层也只需要知道概述就行。而且现在很多芯片厂商,都把物理底层实现,并且是黑盒的,硬件实现,软件开发方面也了解不到更细致的地方。
    在整个过程中,层映射和预编码的内容比较丰富。层映射有三种方式:单天线,发射分集,空分复用;36.211 6.3.3节有详细介绍,每种方式都有对应的内容。预编码有基于码本和基于非码本两种方式,36.211 6.3.4节有详细介绍。这些内容都带有大量数学公式,如果没有扎实的数学功底,理解起来很费劲。

    原文:https://blog.csdn.net/jyqxerxes/article/details/78994699
     

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  • 1.多天线技术;2. MIMO技术单用户MIMO和用户MIMO;2. MIMO技术 MIMO和传输方式;2. MIMO技术空间复用MIMO与单码流MIMO;2. MIMO技术自适应MIMO切换AMS;2.空间复用技术;基于码本的预编码;反馈信息上报;
  • 摘要 802.16e协议中支持MIMO(出)和AAS(自适应天线系统)两种不同的多天线实现方式。本文在介绍MIMO和AAS原理的基础上。分析了各自的特点和性能,并且进行了比较。  1、引言  802.16e协议中支持MIMO...
  • 多天线技术的发展将经历基础方案阶段和增强型方案阶段。本文简单介绍了多天线技术基础方案采用的技术及其有待优化的方面,在此基础上详细介绍了多天线技术增强型方案的设计与实现。
  • 分析了下行链路中的参考符号结构,描述了码本设计的工作原理,验证了下行链路天线增强方案的系统性能,最后预测了LTE-AdvancedR11中LTE-Advanced下行链路多天线技术的发展趋势。
  • 1. 多天线技术概述 1.1 LTE的多天线技术回顾 LTE多天线技术,并非5G的引入的,早在4G LTE时代就引入了多天线技术,用于扩大覆盖范围和提升频谱利用率以及空口数据传输速率。 LTE多天线技术源于两个重要的动机...

     

    目录

    第1章 多天线技术概述

    1.1 LTE的多天线技术回顾

    1.2 5G大规模天线阵列、波束赋形以及其动机

    第2章 什么是波束赋形

    2.1 波束赋形与大规模天线阵列的关系

    2.2 波束赋形的定义

    2.3 波束赋形要回答和解决的两个问题

    2.4 常见的波束赋形相关的专业术语

    第3章 Active Antenna有源天线

    3.1 无源天线

    3.2 大规模天线阵子的有源天线

    3.3 5G的天线系统

    3.4 天线的本质

    3.5 LTE/NR电磁波信号三种成分

    第4章 波束赋形的物理学原理

    第5章 波束赋形的形成过程:波束的控制(控制多天线间的距离)

    5.1 决定波束形状的因素有

    5.2 单个全向天线的方向图

    5.3 单个半波阵子天线的方向图

    5.4 从120°扇区定向天线到波束

    5.5 两个全向天线相互干涉后的方向图

    5.6 单个全向天线+反射板的方向图

    5.7 带反射板的海量的天线阵列

    第6章 波束方向动态变化的原理:波束方向的控制(控制不同天线信号的相位)

    6.1  电磁波信号的相长干涉

    6.2 天线阵列接收面临的问题

    6.3 通过不同信号间的相位差来控制波束

    6.4 相位的数学表达

    6.5 改变信号相位基本方法与数学原理

    第7章 5G波束赋形的实现:相位的控制方法

    7.1  4G/NR无线信号

    7.2 单流模拟波束赋形:通过增加延时来控制时域载波信号的相位

    7.3 多流模拟波束赋形

    7.4 单流数字波束赋形方法1:RF侧数字波束赋形 

    7.5 单流数字波束赋形方法2:基带侧数字波束赋形

    7.6 多流数字波束赋形

    7.7 混合波束赋形:(高频段)

    第8章 高阶空分复用(MAC层调度)

    8.1 空分资源+时频资源

    8.1 单用户SU-MIMO(提升单用户的传输带宽和数据速率)

    8.2 多用户MU-MIMO/多用户波束赋形(提升系统的用户数量)

    第9章 从电磁波信号的角度理解多天线技术

    10. 动态波束的管理

    10.1 单波束动态扫描,波束的位置不是固定

    10.2 如何通过波束广播小区信号?

    10.3 如何通过波束进行随机接入

    10.4 如何通过波束发送数据

    10.5 如何通过改变波束的方位动态追踪处于连接状态且移动的终端。

    10.6 基于波束的服务



    第1章 多天线技术概述

    1.1 LTE的多天线技术回顾

    LTE多天线技术,并非5G的引入的,早在4G LTE时代就引入了多天线技术,用于扩大覆盖范围和提升频谱利用率以及空口数据传输速率。

    LTE多天线技术源于两个重要的动机:

    (1)通过分布式远程拉远天线提升信号的覆盖范围。

    (2)通过多天线的空分复用的能力,在相同的频谱带宽的基础上,提升频谱利用率以及空口数据传输速率。这与在空中建设一层层高架桥的思想基本类似。

    • 层Layer:类似高架的概念,把空间逻辑上分成了N个层。
    • 逻辑天线端口:类似高价上的车道。逻辑端口的数量L必须要大于等于空间的层N(方程组的个数大于等于未知数的个数),通常情况下是N=L.
    • 流steam:类似与车流的概念,就是每个天线端口上传输的数据,即CPRI协议中的AxC天线数据。
    • 物理天线:发送物理信号的物理天线, 物理天线的数目M大于等天线端口L的数目,通常情况下M=L。

    在阅读本文之前,请先参考:LTE的多天线技术与多输入多输出MIMO相关的基础概念,如下所示。

    《图解通信原理与案例分析-21:4G LTE多天线技术--天线端口、码流、分集Diveristy、波束赋形BF、空分复用MIMO、空分多址》

    https://blog.csdn.net/HiWangWenBing/article/details/110871535

    本文是在这篇文章的基础之上的进一步延伸。

     

    1.2 5G大规模天线阵列、波束赋形以及其动机

    既然,4G LTE已经引入了多天线技术,为啥5G NR还需要5G大规模天线阵列呢?这需要从两方面讨论。

    (1)LTE的多天线的局限

    • 多天线的数量:常规的LTE的多天线,也就是做到了2T2R, 或4T4R,空间的复用也就提升了4层,即数据速率仅仅提升了4倍,与5G的少则64天线,多则几百个天线相比,还有很大的提升空间。当然,5G引入的天线阵列,不是为了增加MIMO的层数的,而是为了用于波束赋形,就使得发送的电磁波信号的能量更加集中。
    • 多天线的物理空间:LTE工作在低频段,电磁波的长度在厘米段,单根天线的长度还是多长,几百个天线还是需要占据很大的空间。
    • 多天线信号的能量:LTE的多天线MIMO发送的电磁波能量,基本上还是全向的,信号的能量在空间中浪费较大。
    • 天线技术的限制:LTE的多天线,基本上是无源天线,无法在天线上做方向上控制。

    (2)5G新的业务和技术需求

    • 提升容量一种重要手段:5G eMBB 增强移动宽带场景,峰值速率达到了20G, 除了采用更大的带宽、更多的载波聚合等技术之外,增加相同频谱下的空分复用也是其中一个重要的手段。

    • 提升频率利用率的重要手段:低频段频谱耗尽,如何通过技术的手段在耗尽的频谱上提升频谱效率,是5G的一种重要的技术需求。

    • 5G工作在高频段,空间的衰减比较严重,因此需要电磁波的能量更集中提升信噪比,使得在同等的信号功率的情况下,在单个方向传输距离更远。

    (3)5G新的天线技术

    • 5G可以工作在高频段,电磁波的长度在毫米段,单根天线阵子的尺寸以及他们之间的距离得到了极大的缩短,为大规模天线阵列提供了物理基础。
    • 5G的天线有无源天线向有源天线的演进,可以对天线发送的电磁波进行更多的控制,为模拟波束赋形提供了技术基础。

    (4)标准的支持

    • 3GPP R13-16对超大规模天线阵列提出了明确的规范

    (5)5G的高阶空分复用:大规模天线阵列、波束赋形。

    如果说,LTE多天线MIMO是高架桥的话,那么5G的大规模天线阵列就是立体交通,在相同的频谱资源的情况下,在空间架设了一个相互不影响立体交通网络。

    5G通过控制大规模天线阵列中每一路天线电磁波信号的相位和幅度,并利用电磁波在空间中的叠加和抵消的原理,在空间构建多个不同的电磁波波束。

    因此5G的大规模天线阵列的重点是波束赋形 !!!

    而2流或4流的MIMO在LTE已经解决。

    之所以不再进一步大规模增加MIMO的层数,主要原因是终端本身不支持超大规模的天线阵列,依然是1天线,2天线,4天线的配置,

    超大规模的天线阵列主要发生在基站一侧。

     

    第2章 什么是波束赋形

    2.1 波束赋形与大规模天线阵列的关系

    波束赋形的基础是大规模天线阵列xMIMO, 没有大规模天线阵列xMIMO无法实现波束的赋形。

     

    2.2 波束赋形的定义

    赋予电磁波一定的形状,称为波束赋形。

    波束赋形”这个概念可以拆分成“波束”和“赋形”这两个词来理解。

    “波束”里的波字可以认为是电磁波,束字的本意是“捆绑”,因此波束的含义是捆绑在一起集中传播的电磁波;

    而赋形可以简单地理解为“赋予一定的形状”。

    合起来,波束赋形的意思就是赋予空间能量一定形状、集中传播的电磁波。

    其实,我们常见的光也是一种电磁波,灯泡作为一个点光源,发出的光没有方向性,只能不断向四周耗散;

    而手电筒则可以把光集中到一个方向发射,能量更为聚焦,从而照得更远。

    无线基站也是同理,如下图所示,如果天线的信号全向发射的话,这几个手机只能收到有限的信号,大部分能量都空间浪费掉了。

    (1))全向传播:

    • 基站发送:每个方向(360°)的电磁波携带了完整的、所有基带子载波的信息的基带信号。
    • 接收接收:能够把不同方向(360°)的电磁波信号进行叠加,汇聚成完整的、携带了所有基带子载波的信息的基带信号。

    (2)波束传播

    • 基站发送:每个波束(波束方向)的电磁波携带了完整的、所有基带子载波的信息的基带信号。
    • 接收接收:能够把不同波束(波束方向)的电磁波信号进行叠加,汇聚成完整的、携带了所有基带子载波的信息的基带信号。

    而如果能通过波束赋形把信号聚焦成几个波束,专门指向各个手机发射的话,承载信号的电磁在某个方向上能量更加集中,传播得更远,而且手机收到的信号也就会更强。

    波束赋形是5G通信空口技术的关键的技术之一。

     

    2.3 波束赋形要回答和解决的两个问题

    (1)如何形成波束? =》多天线

    • 两天线形成“初始”波束
    • 线性排列多天线形成“水平或垂直”波束
    • 大规模矩阵天线形成“空间”波束

    (2)如何控制波束的方向? =》相位延时

    • 模拟波束赋型
    • RF数字波束赋型
    • 基带数字波束赋型

     

    2.4 常见的波束赋形相关的专业术语

    (1)MIMO:多输入多输出

    (2)Massive MIMO

    就是天线数目庞大的MIMO, 多达64个天线通道,上百个天线阵子(天线阵子的数量》=天线数据流通道)

    • 64个天线通道=》MIMO
    • 上百个天线阵子 =》波束赋型
    • 所有波束中承载所有用户的信息(所有MIMO层、所有用户子载波),与全向天线类似。

     

    (3)Multiple User MIMO多用户MIMO:

    • 同一组天线,服务于多个用户
    • 不同的用户使用不同的波束
    • 不同的波束传播承载不同的不同天线MIMO层。
    • 不同的波束传播承载不同的不同用户子载波

     

    (4)User specific beamforming用户特定的波速赋形:

    非波速赋形的信号,是全方位的发送电磁波信号,导致电磁波的能量比较发散,不集中

    而用户特定的波速赋形是指,基站发送的电磁波,不再是360°均匀分布,而是根据用户的位置和方位,聚合电磁波的能量,向终端用户的方向集中发送电磁波波束。

     

    (5)Grid of beamforming(GOB)栅格形波速赋形

    不是全方位发送电磁波,也不是按照用户的方位发送电磁波波束,而是按照确定的固定方位发送电磁波波束,这些方位就是所谓的“栅格”

    “栅格”比追踪每个用户,而只需要形成固定的几个方向即可。

    • 小区级波速:小区是整个小区的所有子载波的代表,不同的波速包含所有用户的信息,波束的作用是使得能量更集中,模拟波速赋型就可以实现,即控制复用后的OFDM符号来控制波束。
    • 用户级波束:用户信息是通过不同子载波区分的,不同的波束包含不同用户的信息,波束的作用是空间复用,必须通过数字波速赋型来实现,即控制子载波的相位来控制波束。
    • 不同的波束,电磁波的频率是相同的

    (6)Digital beamforming数字波束赋形

    波束赋形是在DAC之前的数字信号处理,就完成了对每一路载波信号的相位和幅度的加权控制。

    其技术基础是IQ调制,IQ调制就是通过控制两路正交载波的幅度来控制调制后载波的幅度和相位的。

    因此数字波束赋形主要发生在RRU或BBU的数字处理部分。

    • BBU:控制是QAM调制后的单个子载波
    • RRU:控制的OFDM之后的基带信号

    优点:灵活

    缺点:需要消耗大量的计算资源

     

    (7)Analog beamforming模拟波束赋

    波束赋形是在DAC之后的模拟信号处理,完成对每一路逻辑天线载波信号的相位和幅度的加权控制。

    其技术基础是IQ调制,IQ调制就是通过控制两路正交载波的幅度来控制调制后载波的幅度和相位的。

    因此数字波束赋形主要发生在RRU的射频处理部分,包括RFIC或RFIC前端。

    • 控制的高频调制后的信号

    优点:简单,适合毫米波的波束赋形的场合。

    缺点:不灵活

     

    (8)Hybird beamforming混合波束赋

    同时使用模拟波束赋形和数字波束赋形技术实现第信号波速的控制。

     

    (9)3D beamforming立体波束赋

    是指信号的波束方向变化,不仅仅现有水平和垂直方向 ,可以在空间的任何方向变化。

     

    第3章 Active Antenna有源天线

    3.1 无源天线

    无源天线(passive antenna)是指不带任何有源器件的天线。 

    无源天线:是一个金属体,是平常看到很普通的各种天线。

     

    3.2 大规模天线阵子的有源天线

    有源天线内部集成了接收天线模块、低噪声放大模块、电源供给模块等其他功能。有源天线中甚至可以集成RFIC的功能。

     

    3.3 5G的天线系统

    把一路天线信号,复制成多路不同相位延时信号在空间传输,多路同频,有相位差关系的信号在空间进行了叠加,形成波束。

    这是波束赋型的本质!

     

    3.4 天线的本质

    天线的本质是发送和接收高频电磁波的装置。

    单个全向天线发送一段带宽的电磁波时,是在全方向上释放电磁波的能量。

    单个有向天线发送的电磁波虽然有一定的方向,基本上也是发散的,这是由单一频率的“波”的特点决定的。

    多天线技术,就是通过多组天线发送一组电磁波,以达成某种目标或场合的应用。

    不同的目标与应用场合,就是多天线的各种子技术:发射分集、接收分集、MIMO、模拟波束赋型、数字波束赋型等。

     

    3.5 LTE/NR电磁波信号三种成分

    (1)高频载波信号:用于携带一个或多个基带的时域信号(多小区),这个过程是高频模拟调制。         =》 模拟波束赋形

    (2)基带时域信号OFDM:用于携带N个“基带”子载波信号(多子载波),这个过程就是快速傅里叶逆变换。    =》RF侧数字波束赋形

    (3)基带频域子载波信号:用于携带二进制比特数据,这个过程称为基带数字调制。                                      =》 基带侧数字波束赋形

    对上述三种信号做相位相似的技术手段是不相同的,因此产生了对应的三种不同的波束赋形的技术。

    (1)对高频载波信号做相位延时:模拟波束赋形

    (2)对基带时域信号做相位延时:RF侧数字波束赋形

    (3)对子载波信号做相位延时:基带侧数字波束赋形

    当然,还有第4种,就是把上述的模拟波束赋形与数字波束赋形整合在一起,就产生了“混合波束赋形”

    备注:

    不同波束赋型技术的基础是:通过控制多路信号的相位、距离等形成干涉现象,从而控制电磁波的波束与方向。

    • 波束:控制多路信号之间的距离
    • 方向:控制多路信号之间的相位差

     

    第4章 波束赋形的物理学原理

    波束赋形的物理学原理,其实就是干涉现象。百度百科上定义如下:

    频率相同的两列波叠加,使某些区域的振动加强,某些区域的振动减弱,而且振动加强的区域和振动减弱的区域相互隔开。

     

    可以看出,有的地方水波增强,有的地方则减弱,并且增强和减弱的地方间隔分布,在最中间的狭窄区域最为明显。

    如果波峰和波峰,或者波谷和波谷相遇,则能量相加,波峰更高,波谷更深。这种情况叫做相长干涉

    反之,如果波峰和波谷相遇,两者则相互抵消,震动归于静寂。这种情况叫做相消干涉

    如果把这个现象抽象一下,可以得到电磁波的干涉:

    两个馈源正中间的地方由于相长干涉,能量最强,可以认为形成了一个定向的波束,也叫做主瓣;

    两边则由于相消干涉能量抵消,形成了零陷,再往两边又是相长干涉,但弱于最中间,因此称作旁瓣。

    如果我们能继续增强正中央主瓣的能量,使其宽度更窄,并抑制两边的旁瓣,就可以得到干净利落的波束了。

    因此,形成波束的关键是:多个(N>=2)同源的信号源发出的电磁波之间相互干涉,才能形成波束。

     

    第5章 波束赋形的形成过程:波束的控制(控制多天线间的距离)

    5.1 决定波束形状的因素有

    (1)单个天线阵子的波形

    (2)天线阵子的个数

    (3)天线阵子之间的距离

    (4)天线阵子上每个信号的相位差

    (5)天线反馈面到天线的距离

    大规模天线阵列其实并不是什么新鲜的技术,也不是什么高端的发明,不过是单天线信号的组合和叠加,是通过增加硬件资源去换取容量的提升,是用资源换容量的策略。

    当然,在组合多个天线的过程中,会有一些巧妙的技巧和算法以及相应的应用,但本质上其实不是什么技术上的突破。

    下面就从单个天线阵子的波形开始,阐述波束形成的过程以及各种影响因素对波束的影响。

     

    5.2 单个全向天线的方向图

    全向天线,即在水平方向图上表现为360°都均匀辐射,也就是平常所说的无方向性

    一般情况下波瓣宽度越小,增益越大。全向天线在通信系统中一般应用距离近,覆盖范围大,价格便宜。增益一般在9dB以下。

    下图所示为全向天线的信号辐射图。

    全向天线和定向天线的区别

     

    一般情况下,大多数单天线,都是使用全向天线。或者没有相关性的多天线,其能量在空间的分布也是这样的方向图。

     

    5.3 单个半波阵子天线的方向图

    (1)水平方向的方向图

    (2)垂直方向的方向图

     

     

    5.4 从120°扇区定向天线到波束

    扇区空分:三个天线,每个天线负责120°的空间,与波束赋形不同的是,相邻的扇区,载波频率是不相同的,而波束赋形,不同的波束,载波频率是相同的!!!

    波束赋形使得电磁波传播的能量更加集中于有UE终端的方向,而不是四处发散。

     

    5.5 两个全向天线相互干涉后的方向图

    (1)两个相邻天线的距离为0.1波长

    两个天线离的非常近,为0.1波长时,近似一个天线,因此方向图近似全向天线

     

    (2)两个相邻天线的距离为0.5波长

    当天线的距离增加到半波长时,两个天线的电磁波发生相互干涉,能量不再是360°均匀分布的方向图,而是能量形成了8字型分布的方向图,有了一定的聚合。

     

    (3)两个相邻天线的距离为1个波长

    当天线的距离增加到1个全波长时,两个天线的电磁波发生相互干涉,形成了主瓣与旁瓣能量分布,开始有部分发散。

     

    (4)两个相邻天线的距离为1.5波长

    当天线的距离增加到1个半全波长时,两个天线的电磁波发生相互干涉,主瓣的能量进一步的发散到旁瓣,形成了菊花型分布的方向图。

    (5)两个相邻天线的距离超过5个波长,两个电磁波互不相干,方向图又接近全向天线的方向图。

    全向天线和定向天线的区别

    LTE MIMO就是利用的这种不相干性发送多天线信号的。

     

    5.6 单个全向天线+反射板的方向图

    反射板相当于一个天线。

    (1)反射板原理

    通过反射板,把360°的全向方向图转变成180°的方向图。

     

    (2)当反射板到天线阵子的距离为波长时

    此时,反射波等效为天线阵子距离为一个波长的另一个天线阵子。

    方向图图下图所示。

    与两个距离为一个波长的两个天线阵子的区别是

    (1)此时的方向图时180°,而不是360°,因为反射板把能量反射回来。

    (2)利用了单天线的自身的发送信号,节省了能量

     

    (3)更多的天线,通过反射板反射,形成的方向图

     

    5.7 带反射板的海量的天线阵列

    如果天线内部排布着一系列的电磁波源,称作振子,或者天线单元。这些天线单元利用干涉原理来形成定向的波束,那么波束与天线阵子的个数有什么关系呢?

    (1)天线阵列波束的数学模型

    波束是n个相位不同的电磁波的叠加。

     

    (2)4天线个数的叠加效果

    天线数目越多,能量越集中在中间。

     

    (3)32天线的叠加效果

    天线数目越多,能量越集中在中间。

     

    (4)天线阵子的距离波束增益的影响

    同样个数的天线阵子情况下半波长的间距时,波束的增益最大。

     

    (5)二维的横向水平波束

    下图是2个天线阵子、4个天线阵子、8个天线阵子、16个天线阵子形成的电磁波的波束。

    由上图可以看出,纵向排列天线单元越多,最中间的可集中的能量也就越多,波束也就越窄。

    但这只是一个垂直截面而已,其实完整的波束在空间是三维的,水平和垂直的宽度可能截然不同。

    下图是一个天线的振子排列,以及辐射能量三维分布图。

    可以看出,如果天线振子的排布方式为纵向,横向的数量很少,那么其发射的电磁波的波束在垂直方向的能量集中,而水平方向的角度还是比较宽的,像一个薄薄的大饼。

    这种传统的天线水平方向的辐射角度多为60度,进行大面积的地面信号覆盖是一把好手,但要垂直覆盖高楼就有些力不从心了,称作“波束赋形”还是不够格。

     

    (6)二维的纵横波束

    如果我们把这些天线单元的排布改成矩形,电磁波辐射能量将在最中央形成一个很粗的主瓣,周边是一圈的旁瓣,这就有点波束赋形的意思了。

     

    (7)三维的空间单流单波束的数学模型

    通过控制单天线阵子的延时Wi,来控制生产多个不同波速的目的。

     

    (8)三维的空间单流单波束

    为了让波束更窄能量更集中,天线单元还需要更多更密,水平和垂直两个维度也都要兼顾,原本的天线就变成了大规模天线阵列,如下图所示:

    这下,生成的波束就就清晰多了,这就是用大规模天线阵列来支持波束赋形

    天线越多,单个波束的主瓣的聚合度就越高,旁瓣的能量发散就越少。

     

    (9)三维的空间单流多波束

    天线的数目越多,可以同时构建的波束就越多。
     

    (10)三维的空间多流多波束

    把天线阵子进行分组,每一组分别对应到不同的MIMO流上。

    天线的分组的组数越多,可以同时构建MIMO流就越多。

    考虑到终端能力的限制,通常为1流、2流,4流,最多8流。

    多用户MU-MIMO就是基于多流多波束的一种应用。

     

    第6章 波束方向动态变化的原理:波束方向的控制(控制不同天线信号的相位)

    上述波速还有问题,那就是这个波束的能量集中位于正中央,且其传播方向和天线阵列垂直,这是固定不变的。

    然而,手机是一直随着用户移动的,所在的位置完全不确定,主波束虽然有形,但照射不到手机上也是白搭,怎么办?

    能不能让波束偏移一定的角度,对准手机来发射呢?

    6.1  电磁波信号的相长干涉

    首先我们看看上图中,主波束的形成过程:多列波的相位相同,也就是波峰和波谷在同一时间是对齐的,则它们到达手机时,就可以相长干涉,信号通过叠加得以增强。

     

    6.2 天线阵列接收面临的问题

    如果手机和天线阵列有一定的夹角,则各列波到达手机时,相位难以对齐,可能是波峰和波谷相遇,也可能是在其他相位进行叠加,难以达到相长干涉,信号叠加的效果。

    这可咋办?总不能通过旋转物理天线,来让波束跟随手机吧?

     

    6.3 通过不同信号间的相位差来控制波束

    其实,周期性是波最大的特点,不同的相位总是周期性的出现,错过了这个波峰,还有下一个波峰要来,因此相位是可以调整的。

     

    通过调整不同天线单元发射信号的振幅和相位(权值),即使它们的传播路径各不相同,只要在到达手机的时候相位相同,就可以达到信号叠加增强的结果,在不移动物理天线的情况下相当于天线阵列把发送信号对准了手机。

    下图是一个示例,可以看出:通过调制天线阵列中各路发射信号的相位,让波束偏移了θ度,从而可以精确对准手机发射信号。

     

    6.4 相位的数学表达

    相位取决于:初始\Phi 0 与实时变化的相位 wt

     

    6.5 改变信号相位基本方法与数学原理

    (1)通过增加调制后信号的延时控制信号的初始相位

    sin(wt + \Theta ) => sin(w(t-t0) + \Theta ) = sin(wt + \delta )  

    t0是延时,sin(w(t-t0) + \Theta ) = sin(wt + \delta ) 相对于 sin(wt + \Theta ), 延时了t0时间,信号的频率不变。

     

    (2)通过控制调制信号改变已调信号的相位

    调制信号:e^{^j\Theta },   随着时间的推移,相位恒定不变,幅度也不变,实际上 是一个延时脉冲信号。

    载波信号:e^{^j{wt}} , 初始相位为0.

    已调信号:e^{^j{wt}} * e^{^j\Theta } = e^{^j{wt+\Theta }}

    很显然,通过在载波信号叠加一个调制信号,就可以控制已调信号的初始相位。

     

    第7章 5G波束赋形的实现:相位的控制方法

    7.1  4G/NR无线信号

    由此可见,波束赋形的关键在于对无线信号的相位进行控制。

    4G/NR的无线信号包括如下三种

    (1)高频载波信号:用于携带一个或多个基带的时域信号(多小区),这个过程是高频模拟调制。         =》 模拟波束赋形

    (2)基带时域信号:用于携带N个“基带”子载波信号(多子载波),这个过程就是快速傅里叶逆变换。   =》RF侧数字波束赋形

    (3)基带子载波信号:用于携带二进制比特数据,这个过程称为基带数字调制。                                      =》基带侧数字波束赋形

     

    对上述三种信号做相位相似的技术手段是不相同的,因此产生了对应的三种不同的波束赋形的技术,不用的波束赋形,控制相位的手段是不相同的,先给出结论如下:

    (1)对高频载波信号做相位延时:模拟波束赋形             =》通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的相位。

    (2)对基带时域信号做相位延时:RF侧数字波束赋形    =》通过对时域OFDM信号的IQ采样数据,进行缓存,延时发送,从而控制基带时域信号的相位,从而控制了高频载波信号的相位。

    (3)对子载波信号做相位延时:基带侧数字波束赋形     =》 通过对一组频域的子载波信号直接叠加一个相位信号,从而控制子载波信号的延时,从而控制基带时域信号的相位,最终控制了高频载波信号的相位。

    至于控制不同信号的的相位方法和技术手段,以及为什么通过控制子载波的相位,能够达到控制高频载波信号的相位,在后面再继续深入探讨。

     

    当然,还有第4种,就是把上述的模拟波束赋形与数字波束赋形整合在一起,就产生了“混合波束赋形”

     

    7.2 单流模拟波束赋:通过增加延时来控制时域载波信号的相位

    (1)三种单流波束赋形的位置与方法

    • (1)对高频载波信号做相位延时:模拟波束赋形             =》通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的相位。
    • (2)对基带时域信号做相位延时:RF侧数字波束赋形    =》通过对时域OFDM信号的IQ采样数据,进行缓存,延时发送,从而控制基带时域信号的相位,从而控制了高频载波信号的相位。
    • (3)对子载波信号做相位延时:基带侧数字波束赋形     =》 通过对一组频域的子载波信号直接叠加一个相位信号,从而控制子载波信号的延时,从而控制基带时域信号的相位,最终控制了高频载波信号的相位。

     

    (2)什么是单流模拟波束赋形

    所谓单流模拟波束赋形,就是在非MIMO情形下,通过设置射频信号天线权值,实际上通过移相器来完成天线相位的调整,处理的位置相对靠近物理天线。

    用大白话说,就是通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的延时,最终控制时域信号的相位。

     

    (3)模拟波束赋形发生的位置

    模拟波束赋形是在:高频载波调制之后,在发送到天线阵列之前。

     

     

    (4)模拟波束赋形实现时域信号延时的手段-1:

    在RFIC芯片内部或外部,增加一个称为移相器的硬件电路。

     

    (5)模拟波束赋形实现时域信号延时的手段-2:

    通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的相位。

     

    (6)模拟波束赋形的相位控制的数据原理

    假设高频载波调制后的信号的数学表达为 S=sin(wt + \phi) = e^{j{wt}} * e^{^j{\phi }} 

    假设第N路的信号延时为:Tn = e^{j^{\delta _{n}}}

    假设第N路的信号数学表达式为:Yn= e^{j{wt}} * e^{^j{\phi }} * e^{j^{\delta _{n}}}

    结论:每一路信号延时Tn = e^{j^{\delta _{n}}}不同,这Yn的输出相位就不相同。

     

    7.3 多流模拟波束赋

    (1)什么是模拟波束赋形

    在实际LTE和NR的系统中,很少是单天线的系统了,而是多天线的多流MIMO系统,因此实际的多流模拟波束赋形是构建在已有的多流MIMO基础之上的波束赋形。

    每个MIMO流采用一个单流模拟波束赋形,每个MIMO流是构成一个波束,MIMO的多个流,构成多个波束。

    多流的模拟波束赋形的处理流程如下图所示:

     

    (2)模拟波束赋形的特点

    • 基带处理的逻辑天线端口的数量L远小于天线单元的数量N
    • 模拟波束赋赋形完全是靠硬件搭建的,还会受到器件精度的影响,使性能受到一定的制约

     

    (3)模拟波束赋型的输入

    • MIMO的OFDM基带信号,射频载波调制后的信号。
    • MIMO的每一层是独立波束赋形的。

     

    (4)逻辑天线端口到天线阵子的映射

    • 一个逻辑天线端口的调制信号被映射到N多个物理的天线阵子上。
    • 多个逻辑天线端口的调制信号就被映射X=M*N个天线阵子上。

     

    (5)模拟波束赋型的输出

    • 1路逻辑天线端口的信号,为一个MIMO流,可以分裂成N路天线阵子的信号,N个天线阵子的信号构成一个波束,一个波束包含N多个天线阵子的信号。
    • 每个MIMO流采用一个单流模拟波束赋形,每个MIMO流是构成一个波束
    • MIMO的多个流,构成多个波束,产生与MIMO层数M相对应的M个波束。

     

    7.4 单流数字波束赋形方法1RF侧数字波束赋形 

    (1)三种单流波束赋形的位置与方法

    • (1)对高频载波信号做相位延时:模拟波束赋形             =》通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的相位。
    • (2)对基带时域信号做相位延时:RF侧数字波束赋形    =》通过对时域OFDM信号的IQ采样数据,进行缓存,延时发送,从而控制基带时域信号的相位,从而控制了高频载波信号的相位。
    • (3)对子载波信号做相位延时:基带侧数字波束赋形     =》 通过对一组频域的子载波信号直接叠加一个相位信号,从而控制子载波信号的延时,从而控制基带时域信号的相位,最终控制了高频载波信号的相位。

     

    (2)RF侧数字波束赋形发生的位置

    • 在OFDM调制之后,在高频载波调制之前,即DAC之前。

    (3)RF侧数字波束赋形的数学原理

    假设基带OFDM调制信号 \large S = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{m}t}}) , 其中 \large w_{m}为子载波的频率。

    假设第N路的信号延时为:Tn = e^{j^{\delta _{n}}}, N路天线,就有N路不通的延时。

    基带的OFDM调制信号延时后的信号为:\large Sn = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}}) 

    则第N路高频调制后的信号的数学表达为: 

    Yn= Sn * e^{jwt} = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}} * e^{jwt})

    结论:如果OFDM基带调制信号延时Tn = e^{j^{\delta _{n}}}, 则经过高频载波e^{jwt}调制后信号的相位延时为Tn = e^{j^{\delta _{n}}}N路天线,就有N路不通的延时。

    (4)优点:数字信号处理的赋形精度高,实现灵活,天线权值变换响应及时;

    (5)缺点:需要大量的ADC转换以及相应的高频载波调制(混频),很显然,数字波束赋形的成本过高!!!这种方式在实际系统没有应用多流数字波束赋形所代替。

    上述方法与模拟波束赋形基本相似,它通过控制OFDM基带调制信号整体的相位,从而控制高频载波已调信号的相位。

     

    7.5 单流数字波束赋形方法2基带侧数字波束赋形

    (1)三种单流波束赋形的位置与方法

    • (1)对高频载波信号做相位延时:模拟波束赋形             =》通过设计高频载波信号在印制电路板的走线的长度不同,从而控制高频载波信号的相位。
    • (2)对基带时域信号做相位延时:RF侧数字波束赋形    =》通过对时域OFDM信号的IQ采样数据,进行缓存,延时发送,从而控制基带时域信号的相位,从而控制了高频载波信号的相位。
    • (3)对子载波信号做相位延时:基带侧数字波束赋形     =》 通过对一组频域的子载波信号直接叠加一个相位信号,从而控制子载波信号的延时,从而控制基带时域信号的相位,最终控制了高频载波信号的相位。

     

    (2)基带侧数字波束赋形发生的位置

    • 在MIMO层映射之后,在OFDM调制之前

     

    (3)基带侧数字波束赋形的数学原理

    假设基带OFDM调制信号 \large S = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{m}t}}) , 其中 \large w_{m}为子载波的频率。

    单独控制单路子载波的相位是控制不了高频载波信号的相位的,因此需要施加在所有子载波上相同的相位,或延时Tn = e^{j^{\delta _{n}}}, N路天线,就有N路不同的延时。

    基带的OFDM调制信号延时后的信号为:\large Sn = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}}) 

    则第N路高频调制后的信号的数学表达为: 

    Yn= Sn * e^{jwt} = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}} * e^{jwt})

    结论:如果OFDM基带调制信号延时Tn = e^{j^{\delta _{n}}}, 则经过高频载波e^{jwt}调制后信号的相位延时为Tn = e^{j^{\delta _{n}}}

    (4)优点:数字信号处理的赋形精度高,实现灵活,天线权值变换响应及时;

    (5)缺点:上述的效果与RF侧数字波束赋形完全相同,但增加大量的OFDM符号转换的硬件电路,很显然是不经济,这种方式在实际系统没有应用多流数字波束赋形所代替。

     

    7.6 多流数字波束赋形

    (1)什么是多流数字波束赋形

    多流数字波束赋形与单流数字波束赋形方法2基带侧数字波束赋形,发生的位置完全相同。

    单流数字波束赋形方法2基带侧数字波束赋形,不同的是:多流数字波束赋形不需要在单流上控制每个子载波的相位,每个单流上所有的子载波叠加的相位是相同的不同的相位控制只发生在MIMO的层与层之间,就MIMO流与流之间。

    (2)多流数字波束赋形的不足与作用

    单纯的多流数字波束赋形是不能生成波束的, 多流数字波束赋形通常要与模拟波束赋形结合使用:

    多流数字波束赋形:确保MIMO的层与层之间产生一个大的、统一的相位差。

    层内部的模拟波束赋形产生“层”对应的波束。

    这就是混合波束赋形!!!

    (3)多流数字波束赋形的数学原理

    假设基带OFDM调制信号 \large S = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{m}t}}) , 其中 \large w_{m}为子载波的频率。

    单独控制单路子载波的相位是控制不了高频载波信号的相位的,因此需要施加在所有子载波上相同的相位,或延时Tn = e^{j^{\delta _{n}}}, N路天线,就有N路不同的延时。

    基带的OFDM调制信号延时后的信号为:\large Sn = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}}) 

    则第N路高频调制后的信号的数学表达为: 

    Yn= Sn * e^{jwt} = \sum (A_{i} * e^{j^w{_{n}t}} * e^{j^{\delta _{n}}} * e^{jwt})

     

    7.7 混合波束赋:(高频段)

    (1)什么是混合波束赋

    在毫米波mmWave频段,由于频谱资源非常充沛,一个5G载波的带宽可达400MHz,如果单个AAU支持两个载波的话,带宽就达到了惊人的800MHz!

    如果还要像Sub6G频段的设备一样支持数字波束赋形的话,对基带处理能力要求太高,并且射频部分功放的数量也要数倍增加,实现成本过高,功耗更是大得吓人。

    因此,业界将数字波束赋形和模拟波束赋形结合起来,使在模拟端可调幅调相的波束赋形,结合基带的数字波束赋形,称之为混合波束赋形。

    混合波束赋形数字和模拟融合了两者的优点,基带处理的通道数目明显小于模拟天线单元的数量,复杂度大幅下降,成本降低,系统性能接近全数字波束赋形,非常适用于高频系统。

    这样一来,毫米波频段的设备基带处理的通道数(MIMO AxC流)较少,一般为4T4R,或8T8R,但天线单元众多,可达512个,其容量的主要来源是超大带宽和波束赋形。

    每一个MIMO流,对应一组物理天线阵子,实施MIMO层内部的模拟波束赋形。

    多组的MIMO流,对应多组物理天线阵子,通过数字波束赋形,实现MIMO的层与层之间产生一个初始的、大的、统一的相位差。

    (2)混合波束赋形的效果

    • 不同的MIMO层,产生不同的方向的波束
    • 不同的方向的波束,有不同的用户,即多用户MIMO。这与LTE传统的提升单用户数据传输容量MIMO意义是完全不同的。
    • 数字波束形控制的是波束的大致方向。
    • 模拟波束形控制的是某个方向波束的形成。

    (3)混合波束赋形的应用场合:MU-MIMO多用户MIMO

     

    第8章 高阶空分复用(MAC层调度)

    8.1 空分资源+时频资源

    频分多址:按在子载波资源为用户分配资源。

    时分多址:按照符号的时间为用户分配资源。

    空分数据复用(增加单用户容量):按照天线的层为用户分配资源

    空分用户多址(增加用户数):按照空间的波束为用户分配资源。

    空分多址:不同的用户,可以通过不同波束来区分或承载。波束也就成了一种与子载波、时间、天线的层一样,成为了一种时频资源。

    MAC调度是如何确定或区分用户的波束?

    8.1 单用户SU-MIMO(提升单用户的传输带宽和数据速率)

    在单用户MIMO中,在MAC层调度用户数据时,用户的数据被分配上相同时频资源(RB)的所有层上。

    此时只有空分复用,复用是同一个用户的数据。

    没有空分多址,即不“层”的相同的RB资源,不能分配给不同的用户。

    此时每个UE,必须接收到所有层的数据,才能解析出自己的数据。

     

    8.2 多用户MU-MIMO/多用户波束赋形(提升系统的用户数量

    在多用户MIMO中,在MAC层调度用户数据时,无线资源,除了子载波、时间、还有空间的“层”

    因此用户的数据可以被分配在特定的MIMO层、特定的子载波和特定的时隙上,也就是说,用户的数据,不需要被绑定到所有“层”上。

    “层”与“层”之间不需要进行相干性的预编码矩阵编码,“层”与“层”之间是独立的。但如果没有相干性的预编码矩阵编码,“层”与“层”之间是有干扰的,因为他们具有相同的频率和时间。

    为了克服“层”与“层”之间,在没有预编码矩阵编码时的干扰,需要在空间上把“层”与“层”之间的信号分开。

    波束赋形正好可以达成这样的目标,通过波束赋形:

    (1)某一层的信号,可连接到一组天线阵子上,形成一个或多个波束,用于传送给同一层上的不同用户。如上图所示。

    (2)各个不同“层”的信号,各自聚合成各自独立的波束,用于传送给不同层上的不同用户。

    (3)某一个波束,只包含一个层的信号,因此多用户MU-MIMO,是通过牺牲单用户的“层”带宽换取增加系统的用户数的。

    (4)多用户MU-MIMO,需要波束赋形的技术支持。

     

    因此,多用户MU-MIMO比多用户波束赋形更加准确,实际上,MAC层调度器的在分配无线资源时,可用的无线资源是:

    RB (子载波+时间) + 天线的“层", 而不是波束。

    MAC调度器,会把不同的用户波束映射到天线的“层"上。

     

    第9章 从电磁波信号的角度理解多天线技术

    前提条件:多个天线发送多组电磁波信号。

    (1)多扇区、多小区---完全不同

    • 目标:空间复用,增加多个不同的小区,增加服务的用户数
    • 不同天线的高频载波频谱(频率+带宽):不同
    • 不同天线的高频载波相位:不同
    • 不同天线的基带子载波特征(即承载的二进制数据):不同
    • 不同天线的小区:不同

     

    (2)接收和发送分集--完全相同

    发射端将同一消息的一个或多个信号传递出去,在接收端将该消息的两个或多个受扰不同的信号(或称复制品)利用选择或合并电路恢复传递消息,以获得比任何单个信号所得到的消息质量更好的技术,称为分集。

    • 目标:增加物理信号的强度,提供信噪比,应对信号在传输信道中的衰减。
    • 不同天线的高频载波频谱(频率+带宽):相同
    • 不同天线的高频载波相位:相同
    • 不同天线的基带子载波特征(即承载的二进制数据):相同
    • 不同天线的小区:相同

     

    (3)MIMO以及“层” =》空分复用

    • 目标:空分复用,增加单用户的数据传输容量
    • 不同天线的高频载波频谱(频率+带宽):相同
    • 不同天线的高频载波相位:不同
    • 不同天线的基带子载波特征(即承载的二进制数据):不同
    • 不同天线的小区:相同

    (4)单流模拟波束赋形以及“束”  =》 分集效果

    • 目标:增加物理信号的强度,提供信噪比,应对信号在传输信道中的衰减和能量过于发散问题。
    • 不同天线的高频载波频谱(频率+带宽):相同
    • 不同天线的高频载波相位:不同, 通过控制高频载波的相位关系产生波束的效果,有点类似发送分集的效果
    • 不同天线的基带子载波特征(即承载的二进制数据):相同
    • 不同天线的小区:相同
    • 不同波束的用户数据:相同(来自同一个数字信号流,每个波束包含所有用户的数据,相对于单根的全向天线,天线不过是使信号的能量更加集中而已
    • 波束控制的位置:RFIC的射频输出之后

     

    (5)单流数字波束赋形方案一以及“束”

    • 目标:增加物理信号的强度,提供信噪比,应对信号在传输信道中的衰减和能量过于发散问题。
    • 不同天线的高频载波频谱(频率+带宽):相同
    • 不同天线的高频载波相位:不同, 通过控制OFDM基带信号的相位,控制???
    • 不同天线的基带子载波特征(即承载的二进制数据):相同(因为在OFDM多址复用之后)
    • 不同天线的小区:相同
    • 不同波束的用户数据:相同(来自同一个数字信号流,每个波束包含所有用户的数据,相对于单根的全向天线,天线不过是使信号的能量更加集中而已
    • 波束控制的位置:在ODFMOFDM多址复用之后,在DAC之前。

     

    (6)混合波束赋形

     

    (6)多流波束赋形Massive MIMO- = 单流波束赋型 + MIMO“层” =》 空分复用

     

    (5)部分带宽

    • 高频载波频谱(频率+带宽):不同
    • 基带子载波特征(即承载的二进制数据):不同
    • 小区:相同

     

    10. 动态波束的管理

    10.1 单波束动态扫描,波束的位置不是固定

    因为基站并不知道终端到底在哪里,因此不能固定波束的位置,需要采用动态扫描的方式更换波束的方位。

    波速波束管理的核心是:波束的方位是动态变化的,无论是单个波束还是多个波束,其波束的方向与小区覆盖范围内UE的实时的分布情况相关,而不是固定不变的!!!

    终端除了知道自己属于哪个小区,终端还需要知道属于哪个波束。

    因此除了LTE的小区间的切换,还有波束之间的切换!!!!

     

    10.2 如何通过波束广播小区信号?

    在LTE系统中,没有波速的情况下,小区的广播信号是通过公共信道,在整个小区的覆盖范围内,全方位发送,并不是在某些特定波束或特定的方向上发送,小区内的所有用户根据RE时频资源的位置,就可以获得小区的公共信道的信息,与波束无关。

    在5G的单流的波束赋型中 ,全向的信号被组织成一个个的波束,小区公共信道也会同时出现在所有的波束上,不同的波束,其RE的时频资源是相同的。

    然而,在多流波束赋形中,不同的流被组成了不同的波束,流与流之间是相互独立的,器RE的时频资源也是独立的。如果小区公共信道出现在波束上,就会导致广播信道被复制多份。

    其实,基站并不知道UE在哪个方位,因此,基站不会静态的、在所有方位的波束上发送小区公共信号,而是在特定的波束上发送广播小区公共信道,而特定的波束采用依次扫描的方式,覆盖小区的覆盖范围!!!

    10.3 如何通过波束进行随机接入

    • 终端如何检测基站扫描的波束?
    • 终端如何告诉基站?自己检测到了哪个波束?以及检测到的波束的质量如何?

    10.4 如何通过波束发送数据

    10.5 如何通过改变波束的方位动态追踪处于连接状态且移动的终端。

    10.6 基于波束的服务

    • 波束的检测
    • 波束的切换
    • 波束的恢复

    关于波速的管理,后续以单独的文章再详细阐述。


    参考:

    https://zhuanlan.zhihu.com/p/144971077

     

     

     

     

     

     

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  • LTE 多天线技术

    千次阅读 2019-01-14 21:20:51
    “原文 Understanding LTE with MATLAB ,作者Houman Zarrinkoub,本文是对于该书的翻译,书中的专业性词汇给出...到目前为止,我们已经研究了LTE(长期演进)标准中使用的调制、加扰、编码、信道建模和载波传输方...

    原文 Understanding LTE with MATLAB  ,作者Houman Zarrinkoub,本文是对于该书的翻译,书中的专业性词汇给出了英文原文,图和表的排版都是参考原文,翻译不准确的地方请读者多多包涵。本文仅限于个人学习,研究,交流,不得用于其他商业用途!

    第六章 MIMO

    到目前为止,我们已经研究了LTE(长期演进)标准中使用的调制、加扰、编码、信道建模和多载波传输方案。在本章中,我们重点讨论了它的多天线特性。LTE和LTE高级标准实现了较高的最大数据速率,这主要是由于采用了许多多天线或MIMO(多输入多输出)技术。LTE可以看作是一个MIMO-OFDM(正交频分复用)系统,MIMO多天线配置与OFDM多载波传输方案相结合。

    通常,多天线传输方案将调制数据符号映射到多个天线端口。在OFDM传输方案中,每个天线构造资源网格,生成OFDM符号,并传输信号。在MIMO-OFDM系统中,资源网格映射和OFDM调制过程在多个发射天线上重复进行。根据使用的MIMO模式,这种多天线扩展可能会提高数据速率或提高链路质量。

    在本章中,我们将首先回顾LTE标准前四种传输模式的MIMO算法。这些传输模式利用两种主要的MIMO技术:(i)传输分集(如空频分组编码、SFBC等技术)和(ii)具有或不具有延迟分集编码的空间多路复用。如前所述,传输分集技术提高了链路质量和可靠性,但没有提高系统的数据速率或频谱效率。另一方面,空间多路复用可以大大提高数据速率。

    6.1 MIMO的定义

    “MIMO天线处理”通常用作一个通用术语,指使用多个发射和接收天线的所有技术。LTE标准是基于MIMO多天线技术和OFDM多载波技术的结合。基本上,在LTE中,多个发射天线和接收天线之间的关系最好解释在每个单独的子载波上,而不是整个带宽上。图6.1说明了发射和接收天线的关系,以及连接每个天线对的信道增益。

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    在每个子载波上,不同天线上接收和发送资源元素之间的关系用一个线性方程组表示。在该系统中,接收天线上接收资源单元的矢量是由MIMO信道矩阵乘以发射天线上发射资源单元的矢量得到的。如MIMO方程组所示,为了恢复给定子载波下发射资源元的最佳估计值,我们不仅需要接收资源元的矢量,还需要连接每对发射和接收天线的信道响应(或CSI,信道状态信息)。

    6.2 MIMO的动机

    理论上,提高通信链路上数据速率的最佳方法是提高给定发射功率下的总接收信号功率[1]。提高接收功率的有效方法是在发送器和/或接收器上使用附加天线。这代表一个被称为多天线或MIMO技术的类。由于使用MIMO技术,容量和误码率(BER)有了显著的提高,这引起了人们对多天线无线电系统的极大兴趣。然而,随着收益的增加,计算的复杂性也随之增加。MIMO技术的复杂性通常与使用的天线数量成正比。

    在各种多输入多输出技术中,空间多路复用引入了一种多天线方法,这种方法在天线数目不变的情况下实现了平均容量的增长[1]。在无线通信领域迈出了历史性的一步。

    6.3 MIMO类型
    LTE利用MIMO技术,例如,通过在九种下行传输模式中分别引入多种形式的多天线技术。LTE Advanced一次最多提供8个天线的多个发射天线配置。

    让我们研究MIMO系统的数学基础。MIMO系统的成功实现依赖于在接收端解线性方程组以正确恢复传输数据。在信道退化的情况下,全谱表现出频率选择性响应。然而,在每个子波段,信道响应更平坦,可以用一个标量增益值来近似。在MIMO系统中,在每个副载波上,任何一对发送和接收符号之间的关系都可以用一个增益值来表示。这意味着多个发射机和接收机之间的关系可以用线性方程的MIMO系统来表示,该系统在接收机处为全谱的每个副载波求解,以恢复发射的信号。

    LTE标准中使用的MIMO算法可分为四大类:接收器组合、传输分集、波束形成和空间复用。在本节中,我们将简要讨论其中三种技术。

    6.3.1接收机组合方法

    接收器组合方法结合了接收器上传输信号的多个版本,以提高性能。它们已用于3G移动标准和WiFi和WiMax系统。在接收端可以使用两种组合方法:最大比率组合(MRC)和选择组合(SC)[2]。在MRC中,我们结合多个接收到的信号(通常通过求平均值)来找到最可能的传输信号估计值。在SC中,我们放弃了MRC的广泛复杂性,只使用信噪比(信噪比)最高的接收信号来估计发射信号。

    6.3.2传输分集
    在传输分集中,冗余信息在每个副载波的不同天线上传输。在这种模式下,LTE不会提高数据速率,但只会使通信链路更加健壮。发射分集属于一类多天线技术,称为空时编码。空时码能够发送一个与接收和发送天线数量之积相等的分集指令。SFBC是一种与空时分组编码(STBC)密切相关的技术,是LTE标准中使用的传输分集技术。

    6.3.3空间复用
    在空间复用中,系统在不同的天线上传输独立(非冗余)信息。这种MIMO模式可以大大提高给定通信链路的数据速率,因为数据速率可以与发射天线的数量成线性比例增加。然而,在空间多路复用中传输独立数据流的能力是有代价的。空间复用容易受到表示MIMO方程的矩阵秩的不足。在LTE空间复用中引入了多种技术,以最大限度地降低这些等级缺陷的发生概率,并利用其优点。

    6.4 MIMO覆盖范围
    在这本书中,我们集中在与MIMO传输的前四种模式相关的信号处理。模式6中使用的波束形成与多播有关,对协调多点传输非常重要。模式5和7–9中使用的多用户MIMO(MU-MIMO)可以最好地理解为模式3和4的单用户情况的扩展。详细讨论了上行链路和下行链路的波束形成方法和多输入多输出,值得在不同的体积下进一步研究。


    未完待续

    2019/1/14

     

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