5G无线技术基础自学系列 | MIMO原理

Posted 2022-12-14 COCOgsta

素材来源：《5G无线网络规划与优化》

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对于5G TDD系统， MIMO大幅提升了天线数目， 即从LTE时期主流为2T2R/4T4R提升到5G时代主流为32T32R/64T64R的Massive MIMO。对于5G FDD系统， 当前只支持2T2R、2T4R和4T4R的MIMO。MIMO通过综合使用以下几种信号处理技术可以获得接收分集、波束赋形、空间复用等增益， 提升系统容量和频谱效率。

4.2.1 下行波束赋形

1.波束赋形原理

发射信号经过加权后，形成了指向UE或特定方向的窄波束，这就是波束赋形。波束赋形能够精准地指向UE，提升覆盖性能，如图4-2所示。

波束指电磁波能量的方向，波束的形态如图4-3和图4-4所示。

波束的每个主平面内都有2个或多个瓣，其中，辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。将主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB、功率密度降低一半的两点间的夹角定义为波瓣宽度(又称波束宽度)。其中，波束的特点如下。

(1) 波束越宽，其覆盖的方向角越大，能量越分散。

(2) 波束越窄，天线的方向性越好，能量越集中。

波束赋形利用信道信息对发射信号进行加权预编码， 以获得阵列增益。理论上， 1xN的SIMO系统和Mx1的MISO系统相对于SISO可获得的阵列增益分别为10lg(N) dB和10lg(M) dB。阵列增益可以提高接收端的SINR， 从而提升信号接收质量， 如图4-5所示。

2.波束赋形流程

波束赋形的总体流程如图4-6所示。

(1)通道校正。

5G TDD系统不同于FDD-LTE系统(上下行使用不同频率) ， 而是类似于TDD-LTE系统， 上下行频率相同， 因此可以依据上行信道信息估计下行信道。但如果上下行信道幅度和相位不一致，则会影响下行信道权值的计算准确度。射频收发通道之间存在幅度和相位差，而且不同的收发通道的幅度和相位差也不同，所以上下行信道并不是严格互易的，需要使用通道校正技术来保证射频收发通道幅度和相位的一致性，其具体流程如下。

①使用通道校正算法，计算信号经过各个发射通道和接收通道后产生的相位和幅度变化。

②依据计算结果进行补偿，使每组收发通道都满足互易性条件。

(2)权值计算。

权值计算是指gNodeB基于下行信道特征计算出一个向量， 用于改变波束形状和方向。权值计算的关键输入是获取下行信道特征， 有两种不同的获取下行信道特征的方法， 即PMI权和SRS权， 如图4-6所示。gNodeB自适应地选择采用SRS权或PMI权， 某些场景下选择SRS权值， 某些场景下选择PMI权值。

(3)加权。

加权是指gNodeB计算出权值后， 将权值与待发射的数据(数据流和解调信号DM-RS) 进行矢量相加，以达到调整波束的宽度和方向的目的。加权的具体过程如下。

假设天线通道序列为i，信道输入信号为x(i)，通过信道H时引入的噪声为N，信道输出时信号为y(i)，则可得到y(i)=Hx(i)+N。

加权就是对信号x(i)乘以一个复向量w(i)(即权值)，达到改变输出信号y(i)的幅度和相位的目的，则可得到y(i)=Hw(i)x(i)+N。

如图4-7所示，对于信道输入的一组信号X，通过信道Ｈ时，对每个信号x(i)都用不同的向量w(i)进行加权，即可以使输出的一组叠加后的信号Y呈现出一定的方向性。

(4)波束赋形。

波束赋形应用了干涉原理，如图4-8所示。图中弧线表示载波的波峰，波峰与波峰相遇的位置叠加增

强，波峰与波谷相遇的位置叠加减弱。

①未使用BF时，波束形状、能量强弱位置是固定的，对于叠加减弱点用户，如果其处于小区边缘，则信号强度低。

②使用BF后，通过对信号加权，调整各天线阵子的发射功率和相位，改变波束形状，使主瓣对准用户，信号强度得到了提高。

基于SRS加权获得的波束一般称为动态波束， 而控制信道和广播信道则采用预定义的权值生成静态波束。

4.2.2上行接收分集

1.接收分集原理

对于MxN的MIMO系统， 假设每对发射天线和接收天线之间的信道独立， 并假设每根天线发射的信号相同， 则理论上相对SISO可以获得的分集阶数是MxN， MxN表示发射天线数和接收天线数的乘积。

分集阶数是空间信道容错能力的一个理论表征， 可理解为MxN的MIMO系统提供的理论上的系统容错能力为SISO系统的MxN倍， 换句话说， 相同条件下， MxN的MIMO系统的收发信号错误概率为SISO系统的1/(MxN) 。分集增益来源于空间信道理论上的分集阶数。

2.上行接收分集流程

上行分集接收是指gNodeB可以通过多个天线接收UE的发射信号， 通过空间分集和相干接收来增强信号接收效果。其基本过程如下。

(1) gNodeB通过多个天线接收UE发射的SRS信号并估计上行信道特征， 再通过下行控制消息(Downlink Control Information， DCI) 告知UE最佳的PMI/RANK值。

(2) UE以最佳的PMI对PUSCH数据进行预编码发射。

(3) gNodeB通过多天线进行PUSCH数据的分集接收， 提升接收信噪比和稳定性、增加上行用户吞吐率。

3.分集增益

利用多天线的空间分集和相干接收(获得分集增益)，接收分集可以提高接收端信噪比的稳定性，如图4-9所示。接收信号在深衰落信道更加稳定，信噪比理论上可以提升10lg(N)，N为基站接收天线数或波束数目。