【LTE基礎知識】MIMO關鍵技術(shù)分析（一）

  空間復用的主要原理是利用空間信道的弱相關性，通過在多個相互獨立的空間信道上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省?span lang="EN-US">LTE系統(tǒng)中空間復用技術(shù)包括：開環(huán)空間復用和閉環(huán)空間復用。

●     開環(huán)空間復用：LTE系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復用傳輸。所謂多碼字，即用于空間復用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個不同的獨立進行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個碼字可以獨立地進行速率控制。

●     閉環(huán)空間復用：即所謂的線性預編碼技術(shù)。

●     線性預編碼技術(shù)：作用是將天線域的處理轉(zhuǎn)化為波束域進行處理，在發(fā)射端利用已知的空間信道信息進行預處理操作，從而進一步提高用戶和系統(tǒng)的吞吐量。線性預編碼技術(shù)可以按其預編碼矩陣的獲取方式劃分為兩大類：非碼本的預編碼和基于碼本的預編碼。

  非碼本的預編碼方式：對于非碼本的預編碼方式，預編碼矩陣中發(fā)射端獲得，發(fā)射端利用預測的信道狀態(tài)信息，進行預編碼矩陣計算，常見的預編碼矩陣計算方法有奇異值分解、均勻信道分解等，其中奇異值分解的方案最為常用。對于非碼本的預編碼方式，發(fā)射端有多種方式可以獲得空間信道狀態(tài)信息，如直接反饋信道、差分反饋、利用TDD信道對稱性等。

  基于碼本的預編碼方式：對于基于碼本的預編碼方式，預編碼矩陣在接收端獲得，接收端利用預測的信道狀態(tài)信息，在預定的預編碼矩陣碼本中進行預編碼矩陣的選擇，并將選定的預編碼矩陣的序號反饋至發(fā)射端。目前，LTE采用的碼本構(gòu)建方式基于Householder變換的碼本。MIMO系統(tǒng)的空間復用原理示意圖如下所示：

  在目前的LTE協(xié)議中，下行采用的是SU-MIMO�？梢圆捎�MIMO發(fā)射的信道有PDSCH和PMCH，其余的下行物理信道不支持MIMO，只能采用單天線發(fā)射或發(fā)射分集。LTE系統(tǒng)的空間復用原理圖如下所示：

空間分集

  采用多個收發(fā)天線的空間分集可以很好的對抗傳輸信道的衰落�？臻g分集分為發(fā)射分集、接收分集和接收發(fā)射分集三種。

 發(fā)射分集

  發(fā)射分集是在發(fā)射端使用多幅發(fā)射天線發(fā)射信息，通過對不同的天線發(fā)射的信號進行編碼達到空間分集的目的，接收端可以獲得比單天線高的信噪比。 發(fā)射分集包含空時發(fā)射分集（STTD）、空頻發(fā)射分集（SFBC）和循環(huán)延遲分集（CDD）幾種。

1.空時發(fā)射分集（STTD）：

●     通過對不同的天線發(fā)射的信號進行空時編碼達到時間和空間分集的目的；

●     在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導致的符號錯誤概率；

●     空時編碼通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使得信號在接收端獲得時間和空間分集增益�？梢岳�用額外的分集增益提高通信鏈路的可靠性，也可在同樣可靠性下利用高階調(diào)制提高數(shù)據(jù)率和頻譜利用率。

  基于發(fā)射分集的空時編碼（STC，Space-Time Coding）技術(shù)的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：

  STC技術(shù)的物理實質(zhì)在于利用存在于空域與時域之間的正交或準正交特性，按照某種設計準則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時二維平面，以減弱無線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時間選擇性衰落的消極影響，從而實現(xiàn)無線信道中高可靠性的高速數(shù)據(jù)傳輸。STC的原理圖如下所示：

  典型的有空時格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時塊碼（Space-Time Block Code，STBC）。

2.空頻發(fā)射分集（SFBC）：

●     空頻發(fā)射分集與空時發(fā)射分集類似，不同的是SFBC是對發(fā)送的符號進行頻域和空域編碼 ；

●     將同一組數(shù)據(jù)承載在不同的子載波上面獲得頻率分集增益。

  兩天線空頻發(fā)射分集原理圖如下所示：

  除兩天線SFBC發(fā)射分集外，LTE協(xié)議還支持4天線SFBC發(fā)射分集，并且給出了構(gòu)造方法。SFBC發(fā)射分集方式通常要求發(fā)射天線盡可能獨立，以最大限度的獲取分集增益。

3.循環(huán)延遲分集（CDD）：

  延時發(fā)射分集是一種常見的時間分集方式，可以通俗的理解為發(fā)射端為接收端人為制造多徑。LTE中采用的延時發(fā)射分集并非簡單的線性延時，而是利用CP特性采用循環(huán)延時操作。根據(jù)DFT變換特性，信號在時域的周期循環(huán)移位（即延時）相當于頻域的線性相位偏移，因此LTE的CDD（循環(huán)延時分集）是在頻域上進行操作的。下圖給出了下行發(fā)射機時域循環(huán)移位與頻域相位線性偏移的等效示意圖。

  LTE協(xié)議支持一種與下行空間復用聯(lián)合作用的大延時CDD模式。大延時CDD將循環(huán)延時的概念從天線端口搬到了SU-MIMO空間復用的層上，并且延時明顯增大，仍以兩天線為例，延時達到了半個符號積分周期（即1024Ts）。

 接收分集

  接收分集指多個天線接收來自多個信道的承載同一信息的多個獨立的信號副本。

  由于信號不可能同時處于深衰落情況中，因此在任一給定的時刻至少可以保證有一個強度足夠大的信號副本提供給接收機使用，從而提高了接收信號的信噪比。

  接收分集原理示意圖如下所示：