3.LTE系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)：MIMO

TD-LTETD-LTE3TD-LTE<10kbps<200kbps300kbps-10Mbps<50Mbps50M-1Gbps

數(shù)據(jù)速率(OFDM/MIMO)3GPPFDDIMT-AdvancedWCDMAHSPAHSPA+LTEFDDLTE+GSMGPRS/EDGETDDTD-SCDMAHSPAHSPA+TD-LTETDLTE+

IS-95cdmaOnecdma20001XDORevADORevBUMBUMB+3GPP2

DORev0注：彼此兼容IEEE802.16802.16e802.16mTD-LTE是LTE中的TDD模式，是TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的長期演進(jìn)TD-LTE

可變帶寬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

低時(shí)延控制面:100ms用戶面:10ms4TD-LTETD-LTE6TD-LTE天線的方向特性天線的阻抗特性天線的效率和增益天線的極化特性8TD-LTE

天線方向特性?方向性函數(shù)、方向圖?主瓣寬度、副瓣電平?方向性系數(shù)水平面波束垂直面波束天線方向圖用于表征天線在整個(gè)空間的輻射作用天線的方向圖是一個(gè)三維空間的圖形，在不同方向上輻射強(qiáng)度不同9TD-LTE 天線主瓣天線方向圖通常包含多個(gè)波瓣，其中最大輻射方向的波瓣稱為主瓣，其余的波瓣稱為副瓣或旁瓣。主瓣的寬度通常用功率密度為最大方向上功率密度之半的兩點(diǎn)間夾角表示，稱為半功率點(diǎn)〔或3dB〕波瓣寬度 Peak-3dB3dB波瓣

寬度Peak Peak-3dB 半功率波瓣寬度〔HPBW〕第一零點(diǎn)波瓣寬度〔FNBW〕 副瓣/第一副瓣/最大副瓣/后瓣TD-LTE天線的阻抗特性天線的輻射電阻：天線的輻射能力輸入阻抗：饋線與天線的匹配狀態(tài)反射系數(shù)：反射電壓比入射電壓駐波比：VSWR=1+Γ1?Γ阻抗匹配：共扼匹配；電抗為0，反射系數(shù)為0，駐波比為1

10TD-LTE天線效率與增益在輸入功率相等的條件下，被研究天線與參考標(biāo)準(zhǔn)天線在其最大輻射方向上的功率密度之比。用無方向性天線做參考標(biāo)準(zhǔn)天線時(shí)，增益單位為dBi用半波對稱天線做標(biāo)準(zhǔn)天線，增益單位為dBd；由于半波對稱天線的增益為2.16dBi，所以有dBi=dBd+2.16天線本身的增益：天線和饋線系統(tǒng)增益：

G1=

η1DG2=η2G111TD-LTE天線的極化特性指電磁波在傳播過程中，其電場矢量的方向和幅度隨時(shí)間變化的狀態(tài)，可以分成線極化和圓極化線極化存在多種特殊情況：電場矢量平行于地面構(gòu)成水平極化，垂直于地面構(gòu)成垂直極化，另外還包括±45度

極化E E線極化圓極化12TD-LTE 雙極化天線參數(shù)經(jīng)過無線信道屢次隨機(jī)反射，使得信號在不同極化方向上變成相互獨(dú)立，從而可以獲得極化分集增益 13TD-LTE天線相關(guān)參數(shù)：前后比把處于主瓣正前方的波瓣稱為后瓣，定義天線正前方和正前方的輻射強(qiáng)度之比為“前后比〞前后比說明系統(tǒng)對后瓣抑制的好壞，前后比差將給系統(tǒng)帶來更多干擾，惡化系統(tǒng)性能后向功率前向功率14TD-LTE天線相關(guān)參數(shù)參數(shù)：天線下傾

電下傾的原理是通過改變共線陣天線振子的相位，從而改變 合成分量場強(qiáng)強(qiáng)度，使天線的垂直方向性圖下傾。 相比機(jī)械下傾，電下傾在改變傾角后天線方向圖變化較小機(jī)械下傾 電下傾

15TD-LTE無線通信系統(tǒng)天線根底 陣列天線根本原理方向圖相乘原理均勻直線陣均勻圓陣自適應(yīng)陣列TD-LTE天線陣原理陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣的各單元輻射場的總和〔矢量和〕。 以二陣元天線陣為例加以說明。把功率P饋給一個(gè)單天線時(shí)，在天線最大輻射方向A 點(diǎn)產(chǎn)生場強(qiáng)Eo，當(dāng)把同樣的功率饋給等幅同相二元天線陣時(shí)，每個(gè)天線單元得到一半功率。所以在A點(diǎn)各產(chǎn)生相同的場強(qiáng)，由于兩個(gè)天線單元在A點(diǎn)波程差為0，場強(qiáng)為同向疊加，合成場強(qiáng)為。也就是說，總饋電功率不變，而在A點(diǎn)產(chǎn)生的場強(qiáng)卻增大到原來的倍，功率密度增大到原來的2倍。A點(diǎn)A點(diǎn)A點(diǎn)：

波程差Δd=0

相位差Δφ=0a單天線二陣元天線陣17θΔdTD-LTE 天線陣原理陣列天線的輻射電磁場是組成該天線陣的各單元輻射場的總和〔矢量和〕。 空間中不同位置相對天線陣法線方向的偏轉(zhuǎn)角度不同，造成不同的波程差，場強(qiáng)的 疊加效果也不同。如果波程差為λ/2，場強(qiáng)為反向疊加，合成場強(qiáng)為0 根據(jù)波程差，對不同單元天線饋入不同相位的信號，那么天線陣可實(shí)現(xiàn)在某個(gè)方向上 形成場強(qiáng)同向疊加A點(diǎn)B點(diǎn)A點(diǎn)B點(diǎn)A點(diǎn)：

波程差Δd=0

相位差Δφ=0B點(diǎn)：單天線900

900

a二陣元天線陣波程差Δd=a*cosθ相位差Δφ=2πΔd/λ

18originalpattern((??jjTD-LTE均勻直線陣

0 -5-10-15-20-25-3020406080100120140160180degreea(θ

(k)w

?)=?1Le

?2π(ka?1)d

λcos(θwk))Le2π(Ka?1)d

λcos(θwk))

T??19directionalpattern0[dB]?j?(((??jjTD-LTE均勻圓陣

0 -5-10-15-20-25-30 050100150200250300350degreea(θ

(k)w)=?e

?2πR

λcos(θwk)?φ(1))Le2πR

λcos(θwk)?φ(ka))Le2πR

λcos(θwk)?φ(Ka))

20??TTD-LTE智能天線概述智能天線原理智能天線應(yīng)用智能天線特點(diǎn)智能天線實(shí)例???TD-LTE智能天線是由多根天線陣元組成的天線陣列通過調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位來改變陣列天線的方向圖，從而抑制干擾，提高信干比。實(shí)現(xiàn)天線與傳播環(huán)境和用戶與基站間的最正確匹配。 22TD-LTE智能天線的優(yōu)勢〔1〕全向照明區(qū)域小增加覆蓋能量集中能量集中照得很遠(yuǎn)23==∑P(θn)γ=TD-LTE智能天線的優(yōu)勢〔2〕 Pmaxmax(P(θ))max(P(θ)) Pmeanmean(P(θ))1N Nn=1 γ=6.2351=8(dB) 24TD-LTE 智能天線優(yōu)勢〔3〕智能天線獲取的DOA信息提供了用戶終端的方位信息，以用來實(shí)現(xiàn)用戶定位通過獲得的用戶信息，可以用于接力切換，提高了切換的成功率和系統(tǒng)效率 25TD-LTETD-LTE在發(fā)送端和接收端同時(shí)使用多根天線進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；在發(fā)送端每根天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)比特不同；在多散射體的無線環(huán)境中，來自每個(gè)發(fā)射天線的信號在每個(gè)接收天線中是不相關(guān)的，并在接收機(jī)端利用這種不相關(guān)性對多個(gè)天線發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行別離和檢測；可以產(chǎn)生多個(gè)并行的信道〔信道數(shù)小于等于發(fā)射和接收的最小天線數(shù)〕，并且每個(gè)信道上傳遞的數(shù)據(jù)不同，從而提高信道容量 27TD-LTE空時(shí)無線信道類型SISOMISOSIMO?SU-MIMO

MIMO?MU-MIMO281234TD-LTEMIMO與智能天線的區(qū)別

不同天線上發(fā)送 相同的數(shù)據(jù)比特

不同天線上發(fā)送 不同的數(shù)據(jù)比特提高鏈路可靠性，充分利用現(xiàn)有的信道

增加額外信道利用波束賦形為特定用戶提供定向波束，降低多址干擾

提供空間多路復(fù)用增 益，提高信道容量

發(fā)射天線間距較小

發(fā)射天線間距足夠 大，與移動環(huán)境有關(guān)

29TD-LTE??TD-LTE硬件開銷系統(tǒng)開銷終端支持多天線基站支持多天線MIMO系統(tǒng)?同時(shí)支持單天線和 多天線的終端?物理層信令?無線資源管理以及

高層信令對信道環(huán)境的依賴需要信道具有較高的獨(dú)立性

31TD-LTETD-LTE天線傳輸模式單天線

開環(huán)空 間復(fù)用MU-MIMO

閉環(huán)空 間復(fù)用波束賦形傳輸分集 閉環(huán)預(yù) 編碼33TD-LTETD-LTE常用發(fā)射分集天線

TSTD所有用戶都由相下行用戶數(shù)據(jù)的功率分配同的天線發(fā)送，且一起在不同的天線間切換

STTD可以用一個(gè)簡單

SCTDP-CCPCH的分集的線性變換實(shí)現(xiàn)分集信號的別離和最大似然檢測。發(fā)射分集天線

根據(jù)實(shí)際信道條 件確定各天線信 號的加權(quán)系數(shù)， 實(shí)現(xiàn)分集發(fā)送。

CLTxD發(fā)送。這種方式占用了碼道的資源，只能對少數(shù)重要的碼道使用

35TD-LTE 傳輸分集 循環(huán)時(shí)延分集〔CDD〕 時(shí)延分集即通過不同的天線傳輸同一個(gè)信號的 不同時(shí)延副本不需要標(biāo)準(zhǔn)支持。此時(shí)，需要參考信號也進(jìn)行CDD才可以估計(jì)出等效的空間信道。這就對參考信號提出了較強(qiáng)的要求，使其可以估計(jì)出較大時(shí)延擴(kuò)展的信道。所以一般情況下，使用時(shí)延分集時(shí)只能延時(shí)較小的時(shí)延。 36*37TD-LTE傳輸分集 空時(shí)/頻塊碼〔STBC/SFBC〕 空時(shí)塊碼方式在第一根天線上傳輸原始信號，而在第二根天線 上，以兩個(gè)符號為一組變換信號的傳輸順序，并進(jìn)行共軛和/或取反的 操作。如果上述符號對應(yīng)的是不同子載波上的符號，而不是時(shí)域上的符 號，即空頻塊碼STBCSFBC

S1?S2S2

S1*TD-LTESTTD發(fā)射分集?39TD-LTE傳輸分集：TSTD40TD-LTE傳輸分集：FSTD**TD-LTE

傳輸分集SFBC+FSTD

S1

0?S2

0S2

0

*S1

0

0

S3

0?S4

0S4

0

*S3LTE支持SFBC與FSTD結(jié)合的傳輸分集方式

41TD-LTEMIMO應(yīng)用方式：空間復(fù)用?天線配置MxN，N≥M?在發(fā)送端的不同天線天線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù) 流，接收端通過N根天線接收到的向量為：

y=Hx+w

–其中x為發(fā)送的符號向量，Mx1 –y為接收到的符號向量，Nx1 –H為空間信道矩陣，NxM –W為噪聲向量，Nx1

42TD-LTETD-LTE

空間復(fù)用多碼字傳輸

–多碼字傳輸即復(fù)用到多根天線上的數(shù)據(jù)流可以獨(dú)立進(jìn)行信道編碼和調(diào)制

–單碼字傳輸是一個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行信道編碼和調(diào)制之后再復(fù)用到多根天線上

–LTE支持最大的碼字?jǐn)?shù)目為2。單碼字多碼字44TD-LTE46TD-LTE

空間復(fù)用MU-MIMO

基站將占用相同時(shí)頻資源的多個(gè)數(shù)據(jù)流發(fā)送給不同用戶 下行同時(shí)支持SU-MIMO和MU-MIMOSU-MIMO(SDM)MU-MIMO(SDMA)47TD-LTE

空間復(fù)用MU-MIMO

LTE上行不支持SU-MIMO

上行只支持虛擬MIMO，即每一個(gè)終端均發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù) 流，但是兩個(gè)或者更多的數(shù)據(jù)流占用相同的時(shí)頻資源，這樣 從基站接收機(jī)來看，這些來自不同終端的數(shù)據(jù)流，可以被看 作來自同一個(gè)終端上不同天線的數(shù)據(jù)流，從而構(gòu)成一個(gè)

MIMO系統(tǒng)SU-MIMOMU-MIMO??TD-LTEMIMO應(yīng)用方式：波束賦形與Pre-coding接收波束賦形 –MRC ?接收分集 ?適用于任何天線間距 –NullSteeringBeamformer ?抑制強(qiáng)干擾 ?適用于小天線間距發(fā)送波束賦形 –MRT ?發(fā)送分集〔TxAA？〕 ?適用于任何天線間距 –NullSteeringBeamformer ?抑制強(qiáng)干擾 ?適用于小天線間距 48TD-LTE波束賦形

WantedUE傳統(tǒng)波束賦形?小間距的天線陣列，使用較多天線InterferingUE 單元?提頂峰值速率，小區(qū)覆蓋，降低小 區(qū)間干擾 49TD-LTE 波束賦形基于預(yù)編碼的波束賦形 ?大間距的天線陣列，或者極化天線陣列 ?通過碼本選擇和反響，即終端通過進(jìn)行下行方向的信道估 計(jì)，從的碼本中選擇下一次傳輸?shù)馁x形權(quán)值，并反響 給基站。 50TD-LTE波束賦形當(dāng)接收端也存在多根天線時(shí)，接收端也可以利用多根天線降低用戶間干擾，其主要的原理是通過對接收信號進(jìn)行加權(quán)，抑制強(qiáng)干擾，稱為IRC〔InterferenceRejectionCombining〕下行上行

51TD-LTE波束賦形〔BF〕

降低干擾 提升覆蓋半徑MIMO

提升吞吐量TD-LTETD-LTE賦形TD-LTE雙流波束BF1BF2TD-LTE2021年3月2021年6月2021年9月2021年12月RAN1#56bis;RAN1#57RAN1#57bis;RAN1#58RAN1#58bis；RAN1#59RAN#43全會RAN#44全會RAN#45全會RAN#46全會56TD-LTE雙流波束賦形可大大提升吞吐量性能

扇區(qū)吞吐量最大提升約80%

邊緣吞吐量最大提升約130%注：ITU評估結(jié)果5758TD-LTE室外宏小區(qū)覆蓋：

4+4雙極化天線

BF+雙流室外街道站覆蓋：

1+1雙極化天線

雙流室內(nèi)微小區(qū)覆蓋：2×2MIMO59TD-LTE雙流波束賦形是平滑引入TD-LTE的關(guān)鍵TD-LTE覆蓋理論分析

TD-LTE2天線的覆蓋能力受限于上

行業(yè)務(wù)信道以上行業(yè)務(wù)64Kbps邊緣速率進(jìn)行分析1.04km0.48kmTD-LTE8天線的覆蓋半徑約為2天線的兩倍，與TD-SCDMA覆蓋半徑相當(dāng)

TD-LTE2天線

TD-LTE8天線TD-SCDMA8天線在TD-SCDMA現(xiàn)網(wǎng)實(shí)際小區(qū)半徑500米條件下，TD-LTE8天線的邊緣速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于2天線

～0.5km

2天線64Kbps8天線500Kbps

～0.5km

0.28km2天線500Kbps8天線500Kbps8天線雙流波束賦形在保證與TD-SCDMA共覆蓋前提下表達(dá)TD-LTE高速率特點(diǎn)??TD-LTELTE時(shí)的天線配置下行下行：最高8X8上行：最高4X4

1x2(接收分集) 2x2(發(fā)射分集,空分復(fù)用)

4x2,4x4(發(fā)射分集,空分復(fù)用)

8x2,8x4...(波束賦型)上行

1x2,1x4,1