【LTE基礎(chǔ)知識(shí)】MIMO關(guān)鍵技術(shù)分析（一）

  空間復(fù)用的主要原理是利用空間信道的弱相關(guān)性，通過(guò)在多個(gè)相互獨(dú)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(fù)用技術(shù)包括：開(kāi)環(huán)空間復(fù)用和閉環(huán)空間復(fù)用。

●     開(kāi)環(huán)空間復(fù)用：LTE系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復(fù)用傳輸。所謂多碼字，即用于空間復(fù)用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來(lái)自于多個(gè)不同的獨(dú)立進(jìn)行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個(gè)碼字可以獨(dú)立地進(jìn)行速率控制。

●     閉環(huán)空間復(fù)用：即所謂的線性預(yù)編碼技術(shù)。

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

  非碼本的預(yù)編碼方式：對(duì)于非碼本的預(yù)編碼方式，預(yù)編碼矩陣中發(fā)射端獲得，發(fā)射端利用預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)信息，進(jìn)行預(yù)編碼矩陣計(jì)算，常見(jiàn)的預(yù)編碼矩陣計(jì)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(duì)于非碼本的預(yù)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(duì)稱性等。

  基于碼本的預(yù)編碼方式：對(duì)于基于碼本的預(yù)編碼方式，預(yù)編碼矩陣在接收端獲得，接收端利用預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)信息，在預(yù)定的預(yù)編碼矩陣碼本中進(jìn)行預(yù)編碼矩陣的選擇，并將選定的預(yù)編碼矩陣的序號(hào)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(fù)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(fù)用原理圖如下所示：

空間分集

  采用多個(gè)收發(fā)天線的空間分集可以很好的對(duì)抗傳輸信道的衰落。空間分集分為發(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(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行編碼達(dá)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(shí)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(shí)發(fā)射分集（STTD）：

●     通過(guò)對(duì)不同的天線發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)編碼達(dá)到時(shí)間和空間分集的目的；

●     在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤概率；

●     空時(shí)編碼通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余度，從而使得信號(hào)在接收端獲得時(shí)間和空間分集增益。可以利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(shí)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(shí)質(zhì)在于利用存在于空域與時(shí)域之間的正交或準(zhǔn)正交特性，按照某種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，把編碼冗余信息盡量均勻映射到空時(shí)二維平面，以減弱無(wú)線多徑傳播所引起的空間選擇性衰落及時(shí)間選擇性衰落的消極影響，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)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(shí)格碼（Space-Time Trellis Code，STTC） 和空時(shí)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(shí)發(fā)射分集類似，不同的是SFBC是對(duì)發(fā)送的符號(hào)進(jìn)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(dú)立，以最大限度的獲取分集增益。

3.循環(huán)延遲分集（CDD）：

  延時(shí)發(fā)射分集是一種常見(jiàn)的時(shí)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(shí)發(fā)射分集并非簡(jiǎn)單的線性延時(shí)，而是利用CP特性采用循環(huán)延時(shí)操作。根據(jù)DFT變換特性，信號(hào)在時(shí)域的周期循環(huán)移位（即延時(shí)）相當(dāng)于頻域的線性相位偏移，因此LTE的CDD（循環(huán)延時(shí)分集）是在頻域上進(jìn)行操作的。下圖給出了下行發(fā)射機(jī)時(shí)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(fù)用聯(lián)合作用的大延時(shí)CDD模式。大延時(shí)CDD將循環(huán)延時(shí)的概念從天線端口搬到了SU-MIMO空間復(fù)用的層上，并且延時(shí)明顯增大，仍以兩天線為例，延時(shí)達(dá)到了半個(gè)符號(hào)積分周期（即1024Ts）。

 接收分集

  接收分集指多個(gè)天線接收來(lái)自多個(gè)信道的承載同一信息的多個(gè)獨(dú)立的信號(hào)副本。

  由于信號(hào)不可能同時(shí)處于深衰落情況中，因此在任一給定的時(shí)刻至少可以保證有一個(gè)強(qiáng)度足夠大的信號(hào)副本提供給接收機(jī)使用，從而提高了接收信號(hào)的信噪比。

  接收分集原理示意圖如下所示：