MIMO中國電信星火計(jì)劃--東南大學(xué)5G無線網(wǎng)技術(shù)王霄峻wxj@東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室止于至善前言止于至善前言MIMO技術(shù)是指在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)配置并集中放置大規(guī)模的天線陣列，同時(shí)服務(wù)分布在基站覆蓋區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶。在同一時(shí)頻資源上，利用基站大規(guī)模天線的空間自由度，可以提升多用戶空分復(fù)用能力、波束成型能力以及抑制干擾的能力，從而大幅提高系統(tǒng)頻譜資源的整體利用率。課程目標(biāo)止于至善3學(xué)完本課程后，您應(yīng)該能：掌握MIMO基本原理了解SU-MIMO及MU-MIMO增益原理掌握波束賦形流程課程目標(biāo)可先參考：[4G&5G專題-47]：物理層-多天線MIMO技術(shù)、層映射、預(yù)編碼矩陣/HiWangWenBing/article/details/114101724止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MIMO基本功能止于至善無線通信的迅速發(fā)展對(duì)系統(tǒng)的容量和頻譜效率提出了越來越高的要求擴(kuò)展帶寬，并不能有效提升頻譜效率；高階調(diào)制提升頻譜效率的能力有限MIMO是一種成倍提升系統(tǒng)頻譜效率的技術(shù)，是對(duì)SISO的擴(kuò)展。泛指在發(fā)送端或接收端采用多根天線，并輔助一定的發(fā)送端和接收端信號(hào)處理技術(shù)完成通信。MIMO技術(shù)能提高無線鏈路傳輸?shù)目煽啃院托盘?hào)質(zhì)量，提升系統(tǒng)容量和覆蓋MassiveMIMO是多天線技術(shù)演進(jìn)的一種高端形態(tài)，是5G網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)MIMO基本功能——從MIMO演進(jìn)到MassiveMIMO止于至善6MassiveMIMO2Layers4Layers16+LayersMIMO基本功能——MassiveMIMO對(duì)網(wǎng)絡(luò)的增益止于至善7提升小區(qū)覆蓋提升用戶體驗(yàn)下行：在信噪比足夠好（MCS=27，調(diào)制方式采用256QAM）且空間信道獨(dú)立時(shí)，如果接收天線數(shù)≥8，則單用戶在下行可同時(shí)支持8流的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)單用戶下行峰值速率理論上可提升到單流時(shí)的8倍上行：在信噪比足夠好（MCS=28，調(diào)制方式采用64QAM）且空間信道獨(dú)立時(shí)，如果UE發(fā)射天線數(shù)≥4，則單用戶在上行可同時(shí)支持4流的數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)單用戶上行峰值速率理論上可提升到單流時(shí)的4倍提升系統(tǒng)容量：層數(shù)越高，增益越大；對(duì)于fullbuffer業(yè)務(wù)，假設(shè)空分復(fù)用16層，則理論上小區(qū)吞吐率提升至16*100%。MIMO基本功能——MassiveMIMO增益止于至善8陣列增益：通過相干合并，能有效提高處理后SNR的均值（前提：需要已知信道信息）空間分集增益：把數(shù)據(jù)副本在不同天線發(fā)送以提高傳輸可靠性，減小信噪比的相對(duì)波動(dòng)空間復(fù)用增益：利用空間信道的獨(dú)立性，通過同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)流以提升傳輸速率干擾抑制增益：利用干擾信號(hào)的空間有色性，通過提升處理后信干噪比對(duì)干擾進(jìn)行抑制陣列增益分集增益干擾抑制MassiveMIMOMIMO基本功能——MassiveMIMO的典型應(yīng)用場景止于至善9MassiveMIMO應(yīng)用場景如下。（1）熱點(diǎn)區(qū)域：密集城區(qū)、中心商業(yè)區(qū)、廣場、體育館等。在這些區(qū)域中，用戶密集，需要支持大量在線用戶，上下行容量需求極高。MassiveMIMO特性能夠有效抑制干擾，支持多層配對(duì)的MU-BF和MU-MIMO，從而顯著提升小區(qū)吞吐率，解決熱點(diǎn)區(qū)域容量訴求。（2）高樓覆蓋：該場景下，用戶垂直分布于不同樓層，普通站點(diǎn)的垂直覆蓋范圍較窄，難以覆蓋多個(gè)樓層。MassiveMIMO站點(diǎn)支持三維波束調(diào)整，增強(qiáng)了垂直維度廣播波束的覆蓋能力，從而可以覆蓋更多樓層的用戶。（3）深度覆蓋：該場景下是通過室外站點(diǎn)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行覆蓋，通常有建筑物阻擋，由于穿透損耗等原因，導(dǎo)致用戶信號(hào)較弱、體驗(yàn)較差。MassiveMIMO特性的上行多天線接收分集和下行波束賦形能夠有效對(duì)抗傳播與穿透損耗，從而提升了鏈路質(zhì)量和用戶的體驗(yàn)速率。MIMO基本功能——MassiveMIMO的典型應(yīng)用場景止于至善10大型場館CBD場景高樓場景密集城區(qū)大規(guī)模天線陣列SUBF、MUBF、3DMIMO，帶來容量提升和高樓覆蓋增強(qiáng)3D波束賦形，增強(qiáng)高樓深度覆蓋，大幅提升邊緣體驗(yàn)16流多用戶復(fù)用，大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量精確的用戶級(jí)賦形波束及跟蹤，有效的干擾控制MIMO基本功能——MIMO和MassiveMIMO對(duì)比止于至善11止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MIMO原理止于至善13對(duì)于NRTDD系統(tǒng)，MIMO大幅提升了天線數(shù)目，即從LTE時(shí)期主流為2T2R/4T4R提升到5G時(shí)代主流為32T32R/64T64R的MassiveMIMO。對(duì)于NRFDD系統(tǒng)，當(dāng)前只支持2T2R、2T4R和4T4R的MIMO。MIMO通過綜合使用以下幾個(gè)信號(hào)處理技術(shù)可以獲得增益，提升系統(tǒng)容量和頻譜效率：接收分集波束賦形空間復(fù)用下行波束賦形止于至善14波束賦形（Beamforming,簡稱BF）：對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，形成指向UE的窄帶波束。NRSub6G多天線下行各信道默認(rèn)支持波束賦形，可以形成更窄的波束，精準(zhǔn)的指向用戶，提升覆蓋性能。下行波束賦形止于至善15波束指電磁波能量的方向，波束的形態(tài)如右圖波束的每個(gè)主平面內(nèi)都有2個(gè)或多個(gè)瓣輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣其余的瓣稱為副瓣或旁瓣將主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB、功率密度降低一半的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度）。波束的特點(diǎn)：（1）波束越寬，其覆蓋的方向角越大，能量越分散。（2）波束越窄，天線的方向性越好，能量越集中。天線波束垂直面方向圖天線波束水平面方向圖下行波束賦形止于至善16波束賦形利用信道信息對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)預(yù)編碼，以獲得陣列增益。理論上，1×N的SIMO系統(tǒng)和M×1的MISO系統(tǒng)相對(duì)于SISO可獲得的陣列增益分別為10log

10(N)dB和10log10(M)dB。陣列增益可以提高接收端SINR，從而提升信號(hào)接收質(zhì)量，如下圖所示。陣列增益示意圖下行波束賦形流程止于至善17下行波束賦形流程止于至善18下行波束賦形的流程：1.通道校正：保證收發(fā)通道的互易行和通道間的一致性2.權(quán)值計(jì)算：gNodeB基于UE信道特征的判斷，計(jì)算出一個(gè)向量，用于改變波束形狀和方向3.加權(quán)：在基帶將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量相加，改變信號(hào)幅度和相位4.賦形：應(yīng)用干涉原理，調(diào)整波束的寬度和方向PAsRF-ChainRF-ChainPAPA基帶波束賦形1432下行波束賦形流程止于至善191、通道校正必要性：NR系統(tǒng)類似于TDD-LTE系統(tǒng)，上下行頻率相同，因此可以依據(jù)上行信道信息估計(jì)下行信道。但如果上下行信道幅度和相位不一致，則會(huì)影響下行信道權(quán)值的計(jì)算準(zhǔn)確度。射頻收發(fā)通道之間存在幅度和相位差，而且不同的收發(fā)通道的幅度和相位差也不同，所以上下行信道并不是嚴(yán)格互易的，需要使用通道校正技術(shù)來保證射頻收發(fā)通道幅度和相位的一致性。具體流程如下：①使用通道校正算法，計(jì)算信號(hào)經(jīng)過各個(gè)發(fā)射通道和接收通道后產(chǎn)生的相位和幅度變化。②依據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，使每組收發(fā)通道都滿足互易性條件。下行波束賦形流程止于至善202、計(jì)算權(quán)值是指gNodeB基于下行信道特征計(jì)算出一個(gè)向量，用于改變波束形狀和方向。計(jì)算權(quán)值的關(guān)鍵輸入是獲取下行信道特征，有兩種不同的獲取下行信道特征的方法PMI（PrecodingMatrixIndication）權(quán)SRS（SoundingReferenceSignal）權(quán)gNodeB自適應(yīng)地選擇采用SRS權(quán)或PMI權(quán)，某些場景下選擇SRS權(quán)值，某些場景下選擇PMI權(quán)值。下行波束賦形流程止于至善213、加權(quán)加權(quán)是指gNodeB計(jì)算出權(quán)值后，將權(quán)值與待發(fā)射的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)流和解調(diào)信號(hào)DM-RS）進(jìn)行矢量相加，以達(dá)到調(diào)整波束的寬度和方向的目的。加權(quán)的具體過程：假設(shè)天線通道序列為i，信道輸入信號(hào)為x(i)，通過信道H時(shí)引入的噪聲為N，信道輸出時(shí)信號(hào)為y(i)，則可得到y(tǒng)(i)=Hx(i)+N。加權(quán)就是對(duì)信號(hào)x(i)乘以一個(gè)復(fù)向量w(i)（即權(quán)值），達(dá)到改變輸出信號(hào)y(i)的幅度和相位的目的，則可得到y(tǒng)(i)=Hw(i)x(i)+N。下行波束賦形流程止于至善223、加權(quán)（續(xù)）對(duì)于信道輸入的一組信號(hào)X，通過信道H時(shí)，對(duì)每個(gè)信號(hào)x(i)都用不同的向量w(i)進(jìn)行加權(quán)，即可以使輸出的一組疊加后的信號(hào)Y呈現(xiàn)出一定的方向性。下行波束賦形流程止于至善234、波束賦形波束賦形應(yīng)用了干涉原理，如右圖，弧線表示載波的波峰，波峰與波峰相遇的位置疊加增強(qiáng)，波峰與波谷相遇的位置疊加減弱。①未使用BF時(shí)，波束形狀、能量強(qiáng)弱位置是固定的，對(duì)于疊加減弱點(diǎn)用戶，如果處于小區(qū)邊緣，信號(hào)強(qiáng)度低。②使用BF后，通過對(duì)信號(hào)加權(quán)，調(diào)整各天線陣子的發(fā)射功率和相位，改變波束形狀，使主瓣對(duì)準(zhǔn)用戶，信號(hào)強(qiáng)度得到了提高?；赟RS加權(quán)獲得的波束一般稱為動(dòng)態(tài)波束，而控制信道和廣播信道則采用預(yù)定義的權(quán)值生成離散的靜態(tài)波束。上行接收分集-多天線接收止于至善24概念：gNodeB可以通過多個(gè)天線接收UE的發(fā)射信號(hào)，通過空間分集（分集增益）和相干接收合并（陣列增益）來增強(qiáng)接收信號(hào)分集增益：合并后SNR更穩(wěn)定陣列增益：相干合并提升SNR上行接收分集–原理止于至善25接收分集原理：對(duì)于M×N的MIMO系統(tǒng)，假設(shè)每對(duì)發(fā)射天線和接收天線之間的信道獨(dú)立，并假設(shè)每根天線發(fā)射的信號(hào)相同，則理論上相對(duì)SISO可以獲得的分集階數(shù)是M×N，M×N表示發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)的乘積。分集階數(shù)是空間信道容錯(cuò)能力的一個(gè)理論表征，可理解為M×N的MIMO系統(tǒng)提供的理論上的系統(tǒng)容錯(cuò)能力為SISO系統(tǒng)的M×N倍，換句話說，相同條件下M×N的MIMO系統(tǒng)的收發(fā)信號(hào)錯(cuò)誤概率為SISO系統(tǒng)的1/(M×N)。分集增益來源于空間信道理論上的分集階數(shù)。上行接收分集–過程止于至善26上行分集接收是指：gNodeB可以通過多個(gè)天線接收UE的發(fā)射信號(hào)，通過空間分集和相干接收來增強(qiáng)信號(hào)接收效果基本過程：（1）gNodeB通過多個(gè)天線接收UE發(fā)射的SRS信號(hào)并估計(jì)上行信道特征，然后通過DCI告知UE最佳的PMI/RANK值（2）UE以最佳的PMI對(duì)PUSCH數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼發(fā)射（3）gNodeB通過多天線進(jìn)行PUSCH數(shù)據(jù)的分集接收，提升接收信噪比和穩(wěn)定性、增加上行用戶吞吐率上行接收分集–分集增益止于至善27分集增益：多天線空間分集和相干接收，接收分集可以提高接收端信噪比穩(wěn)定性。接收信號(hào)在深衰落信道更加穩(wěn)定，信噪比理論上可提升10log10(N)，N為基站接收天線數(shù)或波束數(shù)目止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104下行用戶多流傳輸止于至善通過多天線技術(shù)，單用戶在下行同時(shí)支持多流數(shù)據(jù)傳輸，單用戶最大下行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于gNodeB發(fā)射天線數(shù)和UE接收天線數(shù)中的相對(duì)較小值右圖為單用戶下行多流示例：在gNodeB64T64R的情況下，2T4R的UE下行最大可同時(shí)支持4流的數(shù)據(jù)傳輸下行用戶多流傳輸止于至善30單用戶最大下行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于以下因素：

（1）gNodeB發(fā)射天線數(shù)和UE接收天線數(shù)中的相對(duì)較小值。（2）下行小區(qū)最大流數(shù)限制。（3）協(xié)議約定：單用戶下行最多可同時(shí)支持8流的數(shù)據(jù)傳輸。目前某些廠家不同規(guī)格的gNodeB和UE下行最大可同時(shí)支持的數(shù)據(jù)傳輸流數(shù)如下表：上行用戶多流傳輸止于至善31通過多天線技術(shù)單用戶在上行同時(shí)支持多流數(shù)據(jù)傳輸，單用戶最大上行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于gNodeB接收天線數(shù)和UE發(fā)射天線數(shù)中的相對(duì)較小值在gNodeB64T64R的情況下，2T4R的UE上行最大可同時(shí)支持2流的數(shù)據(jù)傳輸上行用戶多流傳輸止于至善32單用戶最大上行數(shù)據(jù)流數(shù)取決于如下因素：（1）gNodeB接收天線數(shù)和UE發(fā)射天線數(shù)中的相對(duì)較小值。（2）上行小區(qū)最大流數(shù)限制。（3）協(xié)議約定：單用戶上行最多可同時(shí)支持4流的數(shù)據(jù)傳輸。目前某些廠家不同規(guī)格的gNodeB和UE上行最大可同時(shí)支持的數(shù)據(jù)傳輸流數(shù)如下表：止于至善MIMO基本功能SU-MIMO原理01010303MIMO原理0102MU-MIMO原理0104MUMIMO原理止于至善34MU-MIMO，是指多個(gè)用戶在上下行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，空分復(fù)用OFDM時(shí)頻資源，從而提升系統(tǒng)的上下行容量和頻譜效率。當(dāng)前某廠家的MU-MIMO特性支持對(duì)PDSCH、PDCCH、PUSCH的MU空分復(fù)用。對(duì)多個(gè)用戶的選擇過程稱為配對(duì)，用戶配對(duì)時(shí)會(huì)參考以下2個(gè)原則：（1）當(dāng)UE的SINR較高且UE間的信道相關(guān)性較小時(shí)，UE間的干擾能夠被很好地消除，適合進(jìn)行MU-MIMO配對(duì)。此時(shí)，MU-MIMO可以充分地利用良好的信道條件為小區(qū)增加額外系統(tǒng)容量。（2）當(dāng)UE的SINR較低或者UE間的信道相關(guān)性較強(qiáng)時(shí)，UE間的干擾無法很好地被消除，MU-MIMO反而可能導(dǎo)致系統(tǒng)的吞吐量下降。此時(shí)，gNodeB會(huì)避免選擇信道相關(guān)性較強(qiáng)或者SINR較低的用戶參與配對(duì)。下行MUMIMO-PDSCH空分復(fù)用止于至善35概念：gNodeB在同一份PDSCH資源上給兩個(gè)或以上的UE發(fā)送數(shù)據(jù)，獲得空間復(fù)用增益。增益：可以提高頻譜利用率，在一定程度上提高下行吞吐量，特別是重載場景下，能夠緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，提升用戶感受配對(duì)：配對(duì)MU開關(guān)打開、小區(qū)流數(shù)小于最大流數(shù)、且用戶的MCS大于一定門限時(shí)，空間波束隔離較大、相關(guān)性較低的用戶可以進(jìn)行波束域配對(duì)；然后再基于RBG粒度，相關(guān)性小的待調(diào)度用戶和已調(diào)度用戶進(jìn)行相關(guān)性配對(duì)下行MUMIMO-PDSCH空分復(fù)用（續(xù)）止于至善36目前某些廠家支持的下行MU空分復(fù)用PDSCH最大流數(shù)如下表所示：下行MUMIMO-PDCCH空分復(fù)用止于至善37PDCCH信道的MU空分復(fù)用是指通過發(fā)送波束間的隔離度來區(qū)分用戶，使得不同用戶能夠復(fù)用CCE資源，從而提升了PDCCH容量，用以支撐更多用戶調(diào)度，如下圖。PDCCH