LTE MIMO 基本原理介绍
lte基础原理与关键技术
lte基础原理与关键技术LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信技术，是由3GPP（3rd Generation Partnership Project）制定的国际标准。
LTE基于OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）两种关键技术，旨在提供更高的数据传输速率、更低的延迟和更好的系统容量。
LTE的基础原理是通过将频谱分成多个小的子载波，并通过OFDMA技术将数据并行传输在这些子载波上，从而提高整体的数据传输速率。
同时，采用MIMO技术可以在发送和接收端分别使用多个天线，通过空间复用和多路径传输的方式提高系统的抗干扰性能和覆盖范围。
除了OFDMA和MIMO，LTE还采用了其他关键技术来增强系统的性能。
其中，调制技术是LTE中的重要一环。
LTE采用了更高阶的调制方式（如16QAM和64QAM）来提高每个子载波的传输速率。
另外，LTE还引入了天线端口数据复用（TM）技术，将控制信道和数据信道通过不同的天线进行传输，从而提高系统的容量和灵活性。
LTE还采用了自适应调度技术，根据用户的需求和信道条件动态地分配资源，从而提高系统的整体效率。
同时，LTE还引入了多小区（Multi-Cell）协同技术，通过小区间的协作和资源的共享来提高系统的覆盖范围和容量。
除了上述关键技术，LTE还包括了其他一些重要的技术和功能。
例如，LTE使用了数据流控制和快速调度算法来提高系统的传输效率和公平性。
LTE还引入了LTE-Advanced技术，如协同多点传输（Coordinated Multi-Point，CoMP），通过多个基站的协同传输来提高系统的覆盖范围和容量。
总的来说，LTE基于OFDMA和MIMO技术，结合多种关键技术和功能，实现了更高的数据传输速率、更低的延迟和更好的系统容量。
lte工作原理
lte工作原理LTE（Long Term Evolution）是第四代（4G）无线通信技术的一种标准，其工作原理是基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）技术。
首先，LTE系统中的空中接口使用OFDM技术来实现高速数据传输。
OFDM是一种多载波调制技术，将高速数据流分成多个低速数据流，分别在不重叠的子载波上传输。
这些子载波之间正交分离，可以充分利用频谱资源，提高频谱利用效率。
此外，OFDM技术还具有抗多径衰落和抗干扰能力强的特点。
LTE系统中还使用了MIMO技术，通过在发送和接收端使用多个天线，可以实现空间上的多重传输。
MIMO技术可以提高系统的数据传输速率和信道容量，同时还可以减小信号的衰落和干扰。
LTE系统中常用的MIMO模式有SU-MIMO （Single User MIMO，单用户MIMO）和MU-MIMO（Multi User MIMO，多用户MIMO）。
LTE系统的基站（eNodeB）和终端设备（UE）之间通过无线信道传输数据。
基站通过调度算法将数据分成小的数据块，并根据信道状态信息选择合适的传输方式（例如：调制方式、编码方式等）。
然后将数据块按照时间和频率的方式分配到子载波上，并使用OFDM和MIMO技术进行传输。
终端设备接收到数据后，会进行解调和解码等处理，然后将数据传给上层应用或者网络。
除了数据传输，LTE系统还具有一些其他功能。
一是调制解调器(MODEM)，它负责数字信号的调制和解调，将数字信号转换成模拟信号，并通过天线进行发送和接收。
二是控制器，负责系统的管理和控制，包括调度算法的实现、信道状态的估计和预测等。
三是核心网，负责用户身份验证、用户数据的传输等核心的网络功能。
LTE系统的工作原理可以简单总结为以下几个步骤：1. 将要传输的数据分成小的数据块，并根据信道状态信息选择合适的传输方式。
LTE-MIMO-基本原理介绍
MIMO基本原理介绍课程目标：●了解MIMO的基本概念●了解MIMO的技术优势●理解MIMO传输模型●了解MIMO技术的典型应用目录第1章系统概述 (1)1.1 MIMO基本概念 (1)1.2 LTE系统中的MIMO模型 (2)第2章 MIMO基本原理 (5)2.1 MIMO系统模型 (5)2.2 MIMO系统容量 (6)2.3 MIMO关键技术 (7)2.3.1 空间复用 (7)2.3.2 空间分集 (9)2.3.3 波束成形 (13)2.3.4 上行天线选择 (14)2.3.5 上行多用户MIMO (15)第3章 MIMO的应用 (17)3.1 MIMO模式概述 (17)3.2 典型应用场景 (19)3.2.1 MIMO部署 (19)3.2.2 发射分集的应用场景 (21)3.2.3 闭环空间复用的应用场景 (22)3.2.4 波束成形的应用场景 (23)第4章 MIMO系统性能分析 (25)4.1 MIMO系统仿真结果分析 (25)4.2 MIMO系统仿真结果汇总 (27)第1章系统概述知识点MIMO基本概念LTE系统中的MIMO模型1.1 MIMO基本概念多天线技术是移动通信领域中无线传输技术的重大突破。
通常，多径效应会引起衰落，因而被视为有害因素，然而，多天线技术却能将多径作为一个有利因素加以利用。
MIMO (Multiple Input Multiple output：多输入多输出)技术利用空间中的多径因素，在发送端和接收端采用多个天线，如下图所示，通过空时处理技术实现分集增益或复用增益，充分利用空间资源，提高频谱利用率。
图 1.1-1 MIMO系统模型总的来说，MIMO技术的基础目的是：●提供更高的空间分集增益：联合发射分集和接收分集两部分的空间分集增益，提供更大的空间分集增益，保证等效无线信道更加“平稳”，从而降低误码率，进一步提升系统容量；●提供更大的系统容量：在信噪比SNR足够高，同时信道条件满足“秩>1”，则可以在发射端把用户数据分解为多个并行的数据流，然后分别在每根发送天线上进行同时刻、同频率的发送，同时保持总发射功率不变，最后，再由多元接收天线阵根据各个并行数据流的空间特性，在接收机端将其识别，并利用多用户解调结束最终恢复出原数据流。
LTE的技术原理
LTE的技术原理LTE（Long Term Evolution）作为第四代移动通信技术，其技术原理主要包括无线接入技术、核心网技术和网络优化技术等方面。
本文将详细介绍LTE的技术原理。
一、无线接入技术1.OFDM技术LTE使用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术作为其物理层技术，采用了SC-FDMA（Single Carrier Frequency Division Multiple Access）技术作为上行链路的多址技术。
OFDM技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强、符号时间间隔长、对调制方式的选择灵活等特点，能够有效提高数据传输速率和系统整体性能。
2.MIMO技术LTE还采用了MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术，该技术通过在发送端和接收端分别增加多个天线，利用空间复用技术实现多个数据流同时传输，从而提高系统的频谱效率和系统容量。
MIMO技术在LTE 系统中广泛应用于数据传输和信号处理过程中。
3.自动重传请求技术LTE系统还引入了自动重传请求技术，通过在物理层上实现自动重传请求ARQ（Automatic Repeat reQuest）功能，可以有效保障数据传输的可靠性和稳定性。
当接收端检测到数据包丢失或错误时，会向发送端发送自动重传请求，发送端重新发送丢失的数据包，从而保证数据的完整性和准确性。
二、核心网技术1. Evolved Packet Core（EPC）LTE核心网采用了Evolved Packet Core（EPC）结构，EPC由三个主要部分组成：核心网节点（PGW、SGW、MME）、用户面协议GTP（GPRS Tunneling Protocol）和控制面协议S1AP（S1 Application Protocol）。
EPC实现了LTE系统的核心网络功能，包括连接管理、移动性管理、安全性保障、QoS（Quality of Service）管理等。
LTE移动通信技术任务4 LTE关键技术
LTE移动通信技术任务4 LTE关键技术LTE 移动通信技术任务 4：LTE 关键技术在当今数字化的时代，移动通信技术的发展日新月异，为人们的生活和工作带来了极大的便利。
LTE（Long Term Evolution，长期演进）作为一种先进的移动通信技术，具有高速率、低延迟、大容量等显著优势。
而这些优势的实现，离不开一系列关键技术的支持。
接下来，让我们深入探讨一下 LTE 的关键技术。
一、正交频分复用（OFDM）技术OFDM 技术是 LTE 系统的核心技术之一。
它的基本原理是将高速的数据流分解为多个并行的低速子数据流，然后分别调制到相互正交的多个子载波上进行传输。
与传统的频分复用技术相比，OFDM 具有诸多优点。
首先，它能够有效地抵抗多径衰落。
在无线通信环境中，信号会因为建筑物、地形等障碍物的反射和散射而产生多个路径，导致接收端接收到的信号出现延迟和衰减。
OFDM 通过将宽带信道划分成多个窄带子信道，使得每个子信道的带宽小于信道的相干带宽，从而减少了多径衰落的影响。
其次，OFDM 具有较高的频谱利用率。
由于子载波之间相互正交，使得它们可以在频谱上紧密排列，从而提高了频谱资源的利用效率。
此外，OFDM 还便于实现动态频谱分配。
通过灵活地调整子载波的分配，可以根据用户的需求和信道状况，合理地分配频谱资源，提高系统的容量和性能。
二、多输入多输出（MIMO）技术MIMO 技术是 LTE 实现高速数据传输的另一个重要手段。
它通过在发射端和接收端使用多个天线，形成多个并行的空间信道，从而在不增加带宽和发射功率的情况下，显著提高系统的容量和频谱利用率。
MIMO 技术主要包括空间复用和空间分集两种工作模式。
空间复用模式下，多个数据流同时在不同的天线上传输，从而提高数据传输速率。
而空间分集模式则通过在多个天线上发送相同的数据，或者对接收端接收到的多个信号进行合并处理，来提高信号的可靠性和抗衰落能力。
在实际应用中，MIMO 技术可以根据信道条件和系统需求，灵活地切换工作模式，以达到最佳的性能。
LTE的关键技术MIMO
MIMO 技术的关键是有效避免天线之间的干扰，以区分多个并行数据流。
众所周知，在水平衰落信道中可以实现更简单的MIMO 接收。
而在频率选择性信道中，由于天线间干扰和符号间干扰混合在一起，很难将MIMO 接收和信道均衡分开处理。
如果采用将MIMO 接收和信道均衡混合处理的MIMO 接收均衡的技术，则接收机会比较复杂。
因此，由于每个OFDM 子载波内的信道(带宽只有15KHz)可看作水平衰落信道，MIMO 系统带来的额外复杂度可以控制在较低的水平（随天线数量呈线性增加）。
相对而言，单载波MIMO 系统的复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，很不利于MIMO 技术的应。
MIMO 系统在一定程度上可以利用传播中多径分量，也就是说MIMO 可以抗多径衰落，但是对于频率选择性深衰落，MIMO 系统依然是无能为力。
目前解决MIMO 系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术，还有一种是利用OFDM。
4G 需要极高频谱利用率的技术，而OFDM 提高频谱利用率的作用毕竟是有限的，在OFDM 的基础上合理开发空间资源，也就是MIMO-OFDM，可以提供更高的数据传输速率。
另外ODFM 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有极强的抗多径干扰能力。
由于多径时延小于保护间隔，所以系统不受码间干扰的困扰，这就允许单频网络（SFN）可以用于宽带OFDM系统，依靠多天线来实现，即采用由大量低功率发射机组成的发射机阵列消除阴影效应，来实现完全覆盖。
1、多普勒频移设手机发出信号频率为fT，基站收到的信号频率为fR，相对运动速度为Ｖ，Ｃ为电磁波在自由空间的传播速度(光速)；fdoppler即为多普勒频移。
例360km/h车速，3GHz频率的多普勒频移：子载波间隔确定-多普勒频移影响￭2GHz频段，350km/h带来648Hz的多普勒频移，对高阶调制（64QAM）造成显著影响。
￭低速场景，多普勒频移不显著，子载波间隔可以较小￭高速场景，多普勒频移是主要问题，子载波间隔要较大￭仿真显示，子载波间隔大于11KHz，多普勒频移不会造成严重性能下降￭当15KHz时，EUTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，因此确定单播系统中采用15KHz的子载波间隔￭独立载波MBMS应用场景为低速移动，应用更小的子载波间隔，以降低CP开销，提高频谱效率，采用7.5KHz子载波￭Wimax的子载波间隔为10.98KHz，UMB的子载波间隔为9.6KHz2、OFDM（1）OFDM技术的优势￭频谱效率高各子载波可以部分重叠，理论上可以接近Nyquist极限。
LTE关键技术之MIMO
双流：LTE R9中将波束赋形 扩展到了双流传输，实现了 波束赋形与空间复用技术的 结合。
下行MIMO技术——多用户和单用户MIMO
单用户双流波束赋形技术，由基站测量上行信道，得到上行信道 状态信息后，基站根据上行信道信息计算两个赋形矢量，利用该赋形 矢量对要发射的两个数据流进行下行赋形
10
下行MIMO技术——传输分集技术
发射
传输
接收 分集
分集
分集
传输分集包括发射分集和接受分集 优点
易获得相对稳定的信号
提高信噪比
可获得分集处理增益
下行MIMO技术——发射分集
发射分集就是在发射端使用多幅发射天线发射相同的信息，接收 端获得比单天线高的信噪比
传输分集-两天线：STBC（空时块码）、SFBC（空频块码）； 传输分集-四天线：FSTD&SFBC、TSTD。
上行SU-MIMO和MU-MIMO
上行MIMO技术——多用户MIMO
与SU-MIMO相比，MU-MIMO可以获得多用户分集增益，MUMIMO信号来自于不同终端，更容易获得信道之间的独立性。
当终端存在两个或者更多天线时，可以讲MU-MIMO与传输天线选择 技术结合起来使用。
上行MU-MIMO与传输天线选择技术结合方案
下行MIMO技术——空间复用技术
调 制 与
解 调
映与射Fra bibliotek分离
发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从 多个天线同时发射出去。由于多径传播，每个发射天线对于接收 机产生不同的空间签名，接收机利用这些不同的签名分离出独立 的数据流，最后再复用成原始数据流。因此空间复用可以成倍提 高数据传输速率。
LTE MIMO 基本原理介绍解读
Mi 1
P
N Mp
p 1
空间分集：
[]PP 矩阵
约定： P
特殊情况1： q P Mi 1 特殊情况2： q P 1, M1 4 / 6 / 8.... 特殊情况3： q 1, P 5, M1 1 4 8 样点级处理 天线分组处理
发射分集
• 发射分集方式下的层 映射 • 发射分集方式下预编 码 • 发射分集两天线预编 码
空间复用方式下层映射
• 层映射 • 根据协议36.211，层数V≤P，P表示物 理信道用于发射的天线端口数，且码字流 的个数最多为 2。 空间复用方式时 2:3模式层映射 (0) ： d(0)• (i)协议规定：码字到层的映射可有 d(0)(i) = x(0)(i) x1 (i)1，1： 层0 码字流2 0 ，2：2，2：3，2：4。 且1：2的情况只发生在 P=4 d(1)(2i) = x(1) (i) 的条件下。 x(1)(i) 串 层1 d(1)(i) 转 (1) (2) (2) 码字流1 d (2i+1) = x (i) x (i) 并
C log 2 (1
N
2 | h | i ) i 1
b / s / Hz
CEP log 2 [det( I M
N
HH )] log 2 (1
* i 1
m
N
i ) b / s数目的增加成线性增加。
为什么选择MIMO技术？
无延迟：不 改变层数
[ I ] 矩阵
大延迟：不 改变层数
单天线： 1——>1 无预编码 IFFT 空间复用：
一般情况：
M i 1 P 1/ 2 / 4
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空频发射分集
• 空频发射分集与空时发射分集类似，不同的是 SFTD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上面获得频率 分集增益
循环延迟发射分集（CDD）
• 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, 人为地制造时间弥散，能够获得分集增 益。且循环延时分集采用的是循环延时而不是线 性延时，延迟是通过固定步长的移相（Cyclic Shift， 循环移相）来等效实现延迟 。
MIMO模式的应用
小区中心
小区边缘
高速移动
中速移动
市区
低速移动（室内） 小区边缘
手机自适应MIMO模式
移动速率改变 秩改变
与小区的相对位置改变
2 发射分集 3 开环空间复用 4 闭环空间复用 5 多用户MIMO 6 码本波束成形 7 非码本波束成形
MIMO 的部署
场景 A
场景 C
线性天线
适用于单天线端口 提供发射分集对抗衰落 适用于高速移动环境 提高峰值速率 提高系统容量
提高小区覆盖，抑制干扰
MIMO模式在下行物理信道的应用
物理信道 PDSCH PBCH PCFICH PDCCH PHICH
SCH
Mode1
Mode 2
Mode3 – Mode 7
天线分组处理
课程内容
• MIMO技术简介 • MIMO基本原理 • MIMO在LTE中的应用 • MIMO性能分析
LTE中7种MIMO模式
1 Mode 1 单天线端口 2 Mode 2 发射分集 3 Mode 3 开环空间复用 4 Mode 4 闭环空间复用 5 Mode 5 多用户MIMO 6 Mode 6 码本波束成形 7 Mode 7 非码本波束成形
• MU-MIMO（多用户MIMO）：指在同一时频单元上多个用户共 享所有的空间资源，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，评估系统的性能。
MIMO系统容量
• 多输入单输出（MISO）系统 ：
单输入单输出（SISO）系统 ： C log2(1 | h |2) b / s / Hz
MIMO能够获得比单入单出（SISO），单入 多出（SIMO）和多入单出（MISO）更高的 信道容量。
课程内容
• MIMO技术简介 • MIMO基本原理 • MIMO在LTE中的应用 • MIMO性能分析
MIMO系统模型图
MIMO系统模型图
r1
r2
M
rNr
h11 h21
M
hNr 1
h12 h22 M hNr 2
L L M M
h1Nt h2 Nt
M hNr Nt
x1
x2
M
xNt
n1
n2
M
nNt
MIMO系统信号模型表达式
天线端口1 各端 口数 据
O FDM
天线端口P 调制
端口 天线端口1 广播
加权
M3 1
M4 8
预编码
射
端口
单天线：
天线端口P 广播
1——>1 直接映射
空间复用：
无延迟：不 改变层数
[I ] 矩阵
单天线： 1——>1 无预编码
加权
1——>1 (特指单天
线发射) 1——>2 2——>2 2——>3 2——>4
1
低
移动性 高/中速移动
开环空间复用
2/4
低
高/中速移动
双流预编码
2/4
多用户MIMO
2/4
码本波束成形
1
低
低速移动
低
低速移动
高
低速移动
非码本波束成形
1
高
低速移动
数据 速率
地
在小区中 的位置
小区边缘
中/低 高 高 低 低
小区中心/边缘 小区中心 小区中心 小区边缘 小区边缘
发射分集的应用场景
2天线 eNB
发射分集
空间分集（发射分集、接收分集和接收发射分集），使用多根天线进 行发射和/或接收，根据收发天线数又分为发射分集、接收分集与接收 发射分集。
发射分集：是在发射端使用多幅发射天线发射信息，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，接收端获得比单天线高 的信噪比。 ➢ 空时发射分集STTD ➢ 循环延迟分集CDD ➢ 空频发射分集SFTD
最多4个天线端口P 4
每端口天线数目 M P 1
码字1 码 字
流
M
数
A 码字2 据
C
层
CRC、码块 分割、编
码、速率匹 配、码块级
连、加扰
调 制
QPSK/ 16QA M/64 QAM
M1 4
层1
延
层
迟
映
编
射
码
矩
层4
阵
码 本 编 码 矩
阵
天线端口1 各 端 口 数 据 资 源
天线端口P 映
层1
x(2)(i)
层2
空间复用方式下预编码
• 预编码：克服无线信道的相关性。当多路 径信道在一个或多个MIMO接收机上无法 提供足够的SINR（信噪比）时，预编码技 术可以极大地提高系统性能。
闭环空间复用预编码
• 无CDD时的预编码
y(0) (i)
x(0) (i)
W (i)
Ant1 Ant2 Ant3 Ant4 Case 4: High correlation (0.5)
闭环空间复用的应用场景
注意: 支持天线端口 2/4; 支持1个码字和2个码字; 要求终端反馈RI和PMI; 秩RANK=1 对应于1个码字; 秩RANK>=2对应于两个码字; 一个码字的情况被称为码本波束成形; 适用于小区中心的高信噪比用户
y
( P 1)
(i)
x
(
1)
(i)
• W是阶数为P*V的预编码矩阵。
• 闭环空间复用 需要UE反馈PMI(预编码矩阵指示),RI(秩指示)。
开环空间复用预编码
• 大CDD时的预编码（开环空间复用）
y(0) (i)
x(0) (i)
W (i)D(i)U
m i 1
log2(1
N
i )
b / s / Hz
MIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。
为什么选择MIMO技术？
MIMO为无线资源增加了空间维的自由度。
MIMO通过空时处理技术，充分利用空间 资源，在无需增加频谱资源和发射功率的 情况下，成倍地提升通信系统的容量与可 靠性，提高频谱利用率。
发射分集方式下的层映射
• 层映射
– 根据协议，只允许对一个码字进行层映射，层数V和物 理信道用于发射的天线端口数P相等。
– 码字到层的映射只允许有1：2和1：4，即一码字流映 射至两层或四层 。
发射分集方式下预编码
• 发射分集方式的层映射要求映射层数和天线口数目相等，且层
映射只有1：2和1：4，故预编码模块输入的层数也是2层或4层。
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；
• 在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声导致的符 号错误概率；
• 空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，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。
d(0)•(i)协议规定：d码(0)(字i) 到= x层(0)的(i)映射可有x1(0：)(i)1，1：
码字流20 ，2：2，2：3，2：4。
层0
且1：2的情d况(1)(只2i)发生=在x(1P)(=i4) 的条件x(下1)(i。)
d(1)(i)
码字流1
串
转 并
d(1)(2i+1) = x(2)(i)
发射分集：
大延迟：不 改变层数
[] 矩阵
目的：引入 一定的分集
增益
空间复用：
[]P 矩阵
1——>2 2——>2 4——>4
IFFT
一般情况：
Mi
1 P 1/ 2 N 1/ 2/ 4
/
4
特殊情况：
Mi 1
因此总的天线数：
P
N Mp
1——>2 1——>4
空间分集：
[]PP 矩阵
p 1
场景 B
交叉极化
46~4 8F 43~45 F
40~42 F
37~39 F
34~3 6F 31~33 F
28~30 F
25~27 F
22~2 4F 19~21 F
16~18 F
13~15 F
10~1 2F 7~9 F
4~6 F
1~3 F
MIMO 模式总结
传输 方案
发射分集 (SFBC)
秩
信道
相关性
MIMO原理
编码
信道交织
数据流 解复用
v11 QPSK 16QAM 调制
v21
v12
发射机
Detector
接收机
复用
数据流
编码
信道交织
QPSK
16QAM 调制