LTE系统关键技术：MIMO.ppt

TD LTE LTE系统关键技术 MIMO1 TD LTE 目录3GPPLTE系统概述LTE系统OFDM技术LTE系统多天线技术2 3 TD LTE LTE 下一代宽带移动技术 10kbps 200kbps 300kbps 10Mbps 50Mbps 50M 1Gbps 数据速率 OFDM MIMO 3GPP FDD IMT Advanced WCDMA HSPA HSPA LTEFDD LTE GSM GPRS EDGE TDD TD SCDMA HSPA HSPA TD LTE TDLTE IS 95cdmaOne cdma20001X DORevA DORevB UMB UMB 3GPP2 DORev0 注 彼此兼容 IEEE802 16 802 16e 802 16m TD LTE是LTE中的TDD模式 是TD SCDMA标准的长期演进 TD LTE LTE系统需求TD LTE是LTE中的TDD模式 是TD SCDMA标准的长期演进LTE是3GPP为了保证未来10年3GPP系列技术的生命力 抵御来自非3GPP阵营技术的竞争而启动的最大规模的标准项目 可变带宽1 4 3 0MHz 5 10 15 20MHz 高速率下行 100Mbps上行 50Mbps 高效率下行 5bit s Hz 上行 2 5bit s Hz 低时延控制面 100ms用户面 10ms4 TD LTE 3GPPLTE详细需求 支持1 4MHz 20MHz带宽 峰值数据率 上行50Mb s 下行100Mb s 频谱效率达到3GPPRelease6的2 4倍 提高小区边缘的比特率 用户面延迟 单向 小于5ms 控制面延迟小于100ms 支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作 支持增强型的广播多播业务 降低建网成本 实现从Release6的低成本演进 实现合理的终端复杂度 成本和耗电 支持增强的IMS IP多媒体子系统 和核心网 取消电路交换 CS 域 CS域业务在包交换 PS 域实现 对低速移动优化系统 同时支持高速移动 以尽可能相似的技术同时支持成对和非成对 Unpaired 频段 尽可能支持简单的邻频共存 支持5 30 100Km的覆盖 支持120Km 小时 350Km小时的移动速度 5 TD LTE 空中接口物理层技术需求分析 多址接入技术信道估计技术调制解调信道编码 关键技术 资源复用技术预失真技术自适应技术同步技术干扰消除技术MIMO天线技术 6 TD LTE 目录3GPPLTE系统概述LTE系统OFDM技术 LTE系统多天线技术无线通信系统天线基础 天线的方向特性天线的阻抗特性天线的效率和增益天线的极化特性 天线的其他参数阵列天线基本原理智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点7 8 TD LTE 天线方向特性 方向性函数 方向图 主瓣宽度 副瓣电平 方向性系数 水平面波束 垂直面波束 天线方向图用于表征天线在整个空间的辐射作用天线的方向图是一个三维空间的图形 在不同方向上辐射强度不同 9 TD LTE 天线主瓣天线方向图通常包含多个波瓣 其中最大辐射方向的波瓣称为主瓣 其余的波瓣称为副瓣或旁瓣 主瓣的宽度通常用功率密度为最大方向上功率密度之半的两点间夹角表示 称为半功率点 或3dB 波瓣宽度Peak 3dB 3dB波瓣宽度 Peak Peak 3dB半功率波瓣宽度 HPBW 第一零点波瓣宽度 FNBW 副瓣 第一副瓣 最大副瓣 后瓣 TD LTE 天线的阻抗特性 天线的辐射电阻 天线的辐射能力输入阻抗 馈线与天线的匹配状态反射系数 反射电压比入射电压 驻波比 VSWR 1 1 阻抗匹配 共扼匹配 电抗为0 反射系数为0 驻波比为110 TD LTE 天线效率与增益 在输入功率相等的条件下 被研究天线与参考标准天线在其最大辐射方向上的功率密度之比 用无方向性天线做参考标准天线时 增益单位为dBi用半波对称天线做标准天线 增益单位为dBd 由于半波对称天线的增益为2 16dBi 所以有dBi dBd 2 16 天线本身的增益 天线和馈线系统增益 G1 1DG2 2G1 11 TD LTE 天线的极化特性 指电磁波在传播过程中 其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态 可以分成线极化和圆极化 线极化存在多种特殊情况 电场矢量平行于地面构成水平极化 垂直于地面构成垂直极化 另外还包括 45度 极化EE 线极化 圆极化 12 TD LTE 双极化天线参数经过无线信道多次随机反射 使得信号在不同极化方向上变成相互独立 从而可以获得极化分集增益13 TD LTE 天线相关参数 前后比 把处于主瓣正后方的波瓣称为后瓣 定义天线正前方和正后方的辐射强度之比为 前后比 前后比表明系统对后瓣抑制的好坏 前后比差将给系统带来更多干扰 恶化系统性能 后向功率 前向功率 14 TD LTE 天线相关参数参数 天线下倾 电下倾的原理是通过改变共线阵天线振子的相位 从而改变合成分量场强强度 使天线的垂直方向性图下倾 相比机械下倾 电下倾在改变倾角后天线方向图变化较小机械下倾电下倾15 TD LTE 目录LTE系统OFDM技术LTE系统多天线技术天线阵原理概述 无线通信系统天线基础阵列天线基本原理 方向图相乘原理均匀直线阵均匀圆阵自适应阵列 智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点16 TD LTE 天线阵原理 阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和 矢量和 以二阵元天线阵为例加以说明 把功率P馈给一个单天线时 在天线最大辐射方向A点产生场强Eo 当把同样的功率馈给等幅同相二元天线阵时 每个天线单元得到一半功 率 所以在A点各产生相同的场强 由于两个天线单元在A点波程差为0 场强为同向 叠加 合成场强为 也就是说 总馈电功率不变 而在A点产生的场强却增大到原 来的 倍 功率密度增大到原来的2倍 A点 A点 A点 波程差 d 0相位差 0a 单天线 二阵元天线阵 17 d TD LTE 天线阵原理阵列天线的辐射电磁场是组成该天线阵的各单元辐射场的总和 矢量和 空间中不同位置相对天线阵法线方向的偏转角度不同 造成不同的波程差 场强的叠加效果也不同 如果波程差为 2 场强为反向叠加 合成场强为0根据波程差 对不同单元天线馈入不同相位的信号 则天线阵可实现在某个方向上形成场强同向叠加 A点 B点 A点 B点 A点 波程差 d 0相位差 0B点 单天线 900 900a二阵元天线阵 波程差 d a cos 相位差 2 d 18 originalpattern j j TD LTE 均匀直线阵 0 5 10 15 20 25 30 20 40 60 80 100 120 140 160 180 degree a k w 1Le 2 ka 1 d cos wk Le 2 Ka 1 d cos wk T 19 directionalpattern0 dB j j j TD LTE 均匀圆阵 0 5 10 15 20 25 300 50 100 150 200 250 300 350 degree a k w e 2 R cos wk 1 Le 2 R cos wk ka Le 2 R cos wk Ka 20 T TD LTE 目录LTE系统OFDM技术LTE系统多天线技术 无线通信系统天线基础阵列天线基本原理智能天线技术与特点 智能天线概述智能天线原理智能天线应用智能天线特点智能天线实例 MIMO天线技术与特点21 TD LTE 智能天线技术概述 智能天线是由多根天线阵元组成的天线阵列通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列天线的方向图 从而抑制干扰 提高信干比 实现天线与传播环境和用户与基站间的最佳匹配 22 TD LTE 智能天线的优势 1 全向照明区域小 增加覆盖 能量 集中 能量集中照得很远 23 P n TD LTE 智能天线的优势 2 Pmaxmax P max P Pmeanmean P 1NNn 1 6 2351 8 dB 24 TD LTE 智能天线优势 3 智能天线获取的DOA信息提供了用户终端的方位信息 以用来实现用户定位通过获得的用户信息 可以用于接力切换 提高了切换的成功率和系统效率25 TD LTE 目录LTE系统OFDM技术LTE系统多天线技术无线通信系统天线基础 阵列天线基本原理智能天线技术与特点MIMO天线技术与特点 MIMO天线技术概述MIMO天线系统容量LTE系统MIMO应用LTE系统MIMO实现26 TD LTE MIMO天线技术概述 在发送端和接收端同时使用多根天线进行数据的发送和接收 在发送端每根天线上发送的数据比特不同 在多散射体的无线环境中 来自每个发射天线的信号在每个接收天线中是不相关的 并在接收机端利用这种不相关性对多个天线发送的数据进行分离和检测 可以产生多个并行的信道 信道数小于等于发射和接收的最小天线数 并且每个信道上传递的数据不同 从而提高信道容量27 TD LTE 空时无线信道类型 SISOMISOSIMO SU MIMOMIMO MU MIMO 28 1 2 3 4 TD LTE MIMO与智能天线的区别 不同天线上发送相同的数据比特不同天线上发送不同的数据比特提高链路可靠性 充分利用现有的信道增加额外信道 利用波束赋形为特定用户提供定向波束 降低多址干扰提供空间多路复用增益 提高信道容量发射天线间距较小发射天线间距足够大 与移动环境有关29 TD LTE MIMO技术的优势 MIMO技术结合code reuse方式可以增加CDMA系统的总码道数 MIMO技术充分利用了信道的空间特性 理论 上提高了系统容量MIMO技术主要应用于散射体丰富的环境 比如室内环境 可以为室内热点地区提供高速数据传输服务30 TD LTE MIMO技术制约因素 硬件开销 系统开销 终端支持多天线基站支持多天线 MIMO系统 同时支持单天线和多天线的终端 物理层信令 无线资源管理以及 高层信令对信道环境的依赖需要信道具有较高的独立性31 TD LTE LTE系统多天线技术MIMO MultipleInputMultipleOutput 不相关的各个天线上分别发送多个数据流 利用多径衰落 在不增加带宽和天线发送功率的情况下 提高信道容量及频谱利用率 下行数据的传输质量 32 TD LTE 天线传输模式 单天线 开环空间复用MU MIMO 闭环空间复用波束赋形 传输分集闭环预编码 33 TD LTE LTE系统多天线技术应用 传输分集多天线技术波束赋形空间复用34 TD LTE 常用发射分集天线 TSTD所有用户都由相 下行用户数据的功率分配 同的天线发送 且一起在不同的 天线间切换 STTD可以用一个简单 SCTDP CCPCH的分集 的线性变换实现分集信号的分离和最大似然检测 发射分集天线根据实际信道条件确定各天线信号的加权系数 实现分集发送 CLTxD 发送 这种方式占用了码道的资源 只能对少数重要的码道使用35 TD LTE 传输分集循环时延分集 CDD 时延分集即通过不同的天线传输同一个信号的不同时延副本不需要标准支持 此时 需要参考信号也进行CDD才可以估计出等效的空间信道 这就对参考信号提出了较强的要求 使其可以估计出较大时延扩展的信道 所以一般情况下 使用时延分集时只能延时较小的时延 36 37 TD LTE 传输分集 空时 频块码 STBC SFBC 空时块码方式在第一根天线上传输原始信号 而在第二根天线上 以两个符号为一组变换信号的传输顺序 并进行共轭和 或取反的操作 如果上述符号对应的是不同子载波上的符号 而不是时域上的符号 即空频块码STBC SFBC S1 S2 S2S1 LTE系统中在2天线端口发送情况下的传输分集技术确定为SFBC TD LTE STTD发射分集 开环模式中的STTD分集发射分集技术提高系统下行链路性能38 39 TD LTE 传输分集 TSTD TSTD TimeSwitchedTransmitDiversity 在任意时刻只有一个天线被激活 一个数据流在多根天线中进行选择发送LTE系统上行天线选择技术可以看作是TSTD的一个特例 40 TD LTE 传输分集 FSTD Antenna1FSTDtimeAntenna2LTE系统并没有直接采用FSTD技术 而是与其他传输分集技术结合起来使用 TD LTE 传输分集SFBC FSTD S10 S20 S20 S10 0S30 S4 0S40 S3 LTE支持SFBC与FSTD结合的传输分集方式41 TD LTE MIMO应用方式 空间复用 天线配置MxN N M 在发送端的不同天线天线上发送不同的数据流 接收端通过N根天线接收到的向量为 y Hx w 其中x为发送的符号向量 Mx1 y为接收到的符号向量 Nx1 H为空间信道矩阵 NxM W为噪声向量 Nx142 TD LTE MIMO技术与多用户分集43 TD LTE 空间复用多码字传输 多码字传输即复用到多根天线上的数据流可以独立进行信道编码和调制 单码字传输是一个数据流进行信道编码和调制之后再复用到多根天线上 LTE支持最大的码字数目为2 单码字 多码字 44 TD LTE 空间复用预编码技术基于预编码的空间复用是将多个数据流在发送之前使用一个预编码矩阵进行线性加权 NL NT 预编码可以用来对多个并行传输进行正交化 从而增加在接收端的信号隔离度 NL NT 预编码还提供将NL个空间复用信号映射到NT个传输天线上的作用 通过提供空间复用和波束赋形带来增益 45 46 TD LTE 空间复用MU MIMO基站将占用相同时频资源的多个数据流发送给不同用户下行同时支持SU MIMO和MU MIMO SU MIMO SDM MU MIMO SDMA 47 TD LTE 空间复用MU MIMOLTE上行不支持SU MIMO上行只支持虚拟MIMO 即每一个终端均发送一个数据流 但是两个或者更多的数据流占用相同的时频资源 这样从基站接收机来看 这些来自不同终端的数据流 可以被看作来自同一个终端上不同天线的数据流 从而构成一个MIMO系统 SU MIMO MU MIMO TD LTE MIMO应用方式 波束赋形与Pre coding接收波束赋形 MRC 接收分集 适用于任何天线间距 NullSteeringBeamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距发送波束赋形 MRT 发送分集 TxAA 适用于任何天线间距 NullSteeringBeamformer 抑制强干扰 适用于小天线间距48 TD LTE 波束赋形 WantedUE传统波束赋形 小间距的天线阵列 使用较多天线 InterferingUE 单元 提高峰值速率 小区覆盖 降低小区间干扰49 TD LTE 波束赋形基于预编码的波束赋形 大间距的天线阵列 或者极化天线阵列 通过码本选择和反馈 即终端通过进行下行方向的信道估计 从已知的码本中选择下一次传输的赋形权值 并反馈给基站 50 TD LTE 波束赋形 当接收端也存在多根天线时 接收端也可以利用多根天线降低用户间干扰 其主要的原理是通过对接收信号进行加权 抑制强干扰 称为IRC InterferenceRejectionCombining 下行 上行51 TD LTE 双流波束赋形技术简介 波束赋形 BF 降低干扰提升覆盖半径MIMO提升吞吐量 双流波束赋形技术提升吞吐量提升覆盖半径 降低小区间干扰双流波束赋形技术是TD LTE的多天线增强型技术 是TD LTE建网的主流技术 结合了智能天线波束赋形技术与MIMO空间复用技术 是中国移动协同设备商共同创新的成果 也是中国通信产业技术能力的体现 52 TD LTE 8天线双流波束赋形技术单用户双流波束赋形TD LTE系统中 基站测量上行信道 由上行信道状态信息计算赋形矢量 赋形矢量的选取有利于降低各数据流间的干扰 对要发射的多个数据流进行下行赋形处理 终端接收机使用两根天线进行接收 接收天线数不小于传输数据流数 单用户双流BF的吞吐量相比单流提高而整体小区的吞吐量提升 sametime frequencySU MIMObasedonDual streambeamforming53 TD LTE 8天线双流波束赋形技术多用户双流波束赋形利用空间信道之间不相关特性支持两个用户各一个流 各用户占用相同的时频资源 采用多用户调度算法减少多用户间的干扰能获得空间复用增益而提升系统容量 sametime frequencySDMAbasedonDual streambeamforming54 赋形 TD LTE 8天线双流波束赋形技术的具体实现4 4双极化天线是一种典型的8天线形态 其天线形态适合使用双流波束 双流波束 BF1BF2 赋形技术 双极化天线形态更容易提供双流传输时所需要的信道相关性在散射非常丰富的场景下 垂直极化8天线也有提供双流传输的可能 4 4双极化应用场景比8天线更为广泛双流波束赋形技术的实现难易度分析 从技术研究角度分析 双流波束赋形技术没有太多新的理论问题需要解决 从信号处理角度分析 其实现机制基本已成熟 更多工作是算法优化问题 由上可知 基于现有的理论研究和信号处理技术 基于大唐移动对智能天线波束赋形技术的深入理解 双流波束赋形技术可以很快实现 应用于TD LTE系统 55 TD LTE 双流波束赋形技术标准进展2007 2008年 中国移动和大唐移动在IMT A技术组和标准子组上分别提交了关于双流波束赋形的整体解决方案 都获得了通过在双流BF立项之前 中国移动和大唐移动从2008年6月份开始在LTE A Rel 10 技术范围内开始推动该技术2009年3月份 中国移动推动立项完成 相关标准化工作在RAN1展开讨论2009年12月 双流波束赋形技术的标准化工作已基本完成 2009年3月 2009年6月 2009年9月 2009年12月 RAN1 56bis RAN1 57RAN1 57bis RAN1 58RAN1 58bis RAN1 59 RAN 43全会 RAN 44全会 RAN 45全会 RAN 46全会 56 TD LTE 双流波束赋形可大大提升吞吐量性能扇区吞吐量最大提升约80 边缘吞吐量最大提升约130 注 ITU评估结果 8天线双流波束赋形技术是提高吞吐量性能的有效方法 57 58 TD LTE 8天线双流波束赋形技术应用场景 室外宏小区覆盖 4 4双极化天线BF 双流 室外街道站覆盖 1 1双极化天线双流 室内微小区覆盖 2 2MIMO 8天线双流波束赋形技术是TD LTE建网的主要技术 应用于室外场景的宏小区覆盖 可以有效的增加空间隔离度 降低数据流之间的干扰 59 TD LTE 双流波束赋形是平滑引入TD LTE的关键 TD LTE覆盖理论分析TD LTE2天线的覆盖能力受限于上行业务信道 以上行业务64Kbps边缘速率进行分析 1 04km0 48km TD LTE8天线的覆盖半径约为2天线的两倍 与TD SCDMA覆盖半径相当 TD LTE2天线TD LTE8天线TD SCDMA8天线