LTE学习笔记6：MIMO多天线技术

不断提高空中接口的吞吐率是无线标准的发展目标。MIMO多天线技术是LTE显着提升吞吐量的关键物理层技术。MIMO技术和OFDM技术并称为LTE最重要的两种物理层技术。MIMO技术有很多原理，涉及一些线性代数知识。我学习LTE的时候主要是想了解和简单学习一些协议。我并没有打算太深入地学习天线知识，所以简单地摘录了书上的部分内容作为笔记。最早的多天线技术是接收分集技术。为了实现发射分集，必须解决发射天线之间无线链路的正交性问题。多天线正交性问题终于被攻克，MIMO技术日趋成熟。在天线互不相关的前提下，MIMO信道的容量可以随着最少的接收天线和发射天线数量线性增长。

不断提高空中接口的吞吐率是无线标准的发展目标。 MIMO多天线技术是LTE显着提升吞吐量的关键物理层技术。 MIMO技术和OFDM技术并称为LTE最重要的两种物理层技术。 MIMO技术有很多原理，涉及一些线性代数知识（我不想学习如何使用latex或类似的东西编写矩阵）

），而且内容还蛮多的。 我学习LTE的时候主要是想了解和简单学习一些协议。 我并没有打算太深入地学习天线知识，所以简单地摘录了书上的部分内容作为笔记。

1. MIMO的基本原理

最早的多天线技术是接收分集技术。 多个接收信道同时发生深度衰落的可能性远小于单个天线信道发生深度衰落的可能性。 接收分集可以提高无线传输的可靠性。 在基站侧布置多个接收天线更容易实现上行接收分集。 但在终端侧设置多根天线会增加手机的复杂度和成本，实现起来比较困难。 基站侧能否实现发射分集（多个天线发射同一数据流）来提高下行传输可靠性？ 人们试图这样做，但发现当多个天线发送相同的数据流时，它们会互相干扰，甚至互相抵消，无法实现分集。 为了实现发射分集，必须解决发射天线之间无线链路的正交性问题。 多天线正交性问题终于被攻克，MIMO技术日趋成熟。

1.1 数学模型

由于数据是不可见、无形的，因此可以将数据视为从 A 仓库运输到 B 仓库的货物，如图所示。

装货点A1的货物1/3到达卸货点B1，2/3到卸货点B2； 装货点A2的货物3/4到达卸货点B1，1/4到卸货点B2。 B1 处有一件货物丢失，B2 处有两件货物丢失。 因此，装货点的货物数量x1和x2与卸货点的货物数量y1和y2之间的关系如下：

上述数量关系可以用矩阵关系来表示：

借鉴类似的思路，可以为MIMO系统建立数学模型。在发射端和接收端分别设置多根天线，如图所示

上述s1、s2与r1、r2之间的关系可以用如下矩阵表示：

（其实只要记住H矩阵就是接收天线数×发射天线数即可，不需要死记硬背）。

MIMO系统是一种在发射器和接收器同时使用多个天线的技术。 从广义上讲，SISO、SIMO和MISO也是MIMO的特例。

1.2 极限容量

Shannon给出了单发射天线和单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式：

B是信道带宽，S/N是接收端的信噪比。 根据香农公式，增加SNR或带宽可以增加无线信道容量。 然而，发射功率P和带宽有一定的限制。 在一定的带宽条件下，无论SISO采用什么编码和调制方式，系统容量都不能超过香农公式的限制。 目前广泛使用的Turbo码和LDPC码已经使信道容量接近信道容量极限。

但在多天线情况下，信道容量随着接收天线数量Mr的增加而增加，且两者呈对数关系； 信道容量也随着发射天线数量Mt的增加而增加，两者也呈对数关系；

也就是说，发射分集和接收分集可以提高接收端的信噪比，从而提高信道容量和频谱效率，但信道容量的提高也是有限的，只具有对数关系。

随着发射器或接收器天线数量中较小者 min (Mr, Mt) 的增加，MIMO 系统容量将线性（而非对数）增加。

例如，从MIMO系统极限容量公式可以看出，2×2天线配置的MIMO系统和2×4天线配置的MIMO系统的极限容量接近。 因为两者的最小天线数量是相同的，都是2。但是发射天线数量加倍也不是没有用。 发射天线数量加倍，起到分集的作用，提高接收端的信噪比。 虽然两者的最大容量相同，但2×4天线配置会增加平均下行容量。

1.3 多天线技术收益

阵列增益：在单个天线发射功率不变的情况下，增加天线数量可以使接收端通过多个信号的相干组合来提高平均信噪比（SNR）。 阵列增益与天线数量（M）lg（M）的对数强相关，阵列增益可以提高系统覆盖范围。

功率增益：在覆盖范围不变的情况下，增加天线数量可以降低天线端口的发射功率，进而可以降低对设备功放线性范围的要求。 如果单天线发射功率不变，使用多天线发射相当于增加了总发射功率，从而增加了覆盖范围。

分集增益：同一信号通过不同路径到达接收端，可以有效对抗多径衰落，减少接收端信噪比的波动。 独立衰落分支的数量越多，接收端信噪比的波动越小，分集增益越大。 分集增益可以改善系统覆盖范围并提高链路可靠性。

空间复用增益：增加最终容量并提高峰值速率。 在天线互不相关的前提下，MIMO信道的容量可以随着最少的接收天线和发射天线数量线性增长。 这种容量的增加就是空间复用增益。

干扰抑制增益：在多天线收发系统中，空间中存在的干扰有一定的统计规律。 可以通过使用信道估计技术、选择不同的天线映射算法、选择合适的干扰抑制算法来降低干扰。

2.MIMO工作模式

MIMO 系统是多个信号流在空中的并行传输。 发射端输入的数据流变成若干个并行的符号流，从Mt个天线同时发射； 接收端接收来自Mr接收天线的信号并恢复原始信号。

多个信号流可以是不同的数据流或同一数据流的不同版本。

不同的数据流意味着同时传输不同的信息，这意味着提高了信息传输的效率，提高了无线通信的效率。

同一数据流的不同版本，即相同信息但表达方式不同，并行传输，保证接收端接收信息的准确性，提高信息传输的可靠性。

提高信息传输效率的工作方式是MIMO的复用方式； 提高信息传输可靠性的工作模式是MIMO的分集模式。

2.1 空分复用方式

空分复用（SM）的思想是将一个高速数据流分成若干个较低速率的数据流，在不同的天线上进行编码和调制，然后发送。 天线彼此独立。 一根天线相当于一个独立的通道。 接收端利用空间均衡器将接收到的信号分离，然后进行解调和解码，将多个数据流组合起来，恢复出原始信号，如图所示。

将一路数据转换为多路数据的方法就是贝尔实验室提出的时空传输方法：空时编码（STC），或者BLAST（贝尔实验室分层空时）技术。

将数据视为要运输的货物。 为了快速运输（重复使用），可以将其安排在不同的地点（空间），并且交货时间也可以改变。 “不同天线”是空时编码中“空间”的概念； “不同的OFDM周期”是空时编码中“时间”的概念。 空时编码的最小单位是TB块(Transport block)。 TB块是一个子帧中包含的预编码比特的数量，由许多RB组成。 一个TTI是1ms。

空分复用（SM）常用的空时编码技术有两种：预编码和PARC（每天线速率控制）。

预编码技术将原始数据流的两个符号分成一组进行变换。 例如一组为“s1，s2”，转换为并行数据流“z1，z2”，然后分别通过不同的天线发送出去，如图所示。 两者的关系是：

V矩阵是预编码矩阵，它是负责将数据流转换到天线端口的数学变换公式。

PARC不进行符号转换，直接根据各​​天线的信道状况调整其信息传输速率。 如果天线信道好，速度会更快； 否则速度会变慢。 速率本身也是一种时空编码，只是一个天线更快，另一个天线更慢。 在天线端口，PARC的空时编码的作用是直接将速率调整后的两列数据移动到天线端口并进行传输，无需任何变换。

2.2 空间分集模式

空间分集（SD）的思想是产生同一数据流的不同版本，在不同的天线上对它们进行编码和调制，然后发送它们。 如图所示，该数据流可以是要发送的原始数据流。 也可以是原始数据流经过一定的数学变换后形成的新的数据流。 同样的东西，不同的外观。 接收机利用空间均衡器对接收信号进行分离，然后进行解调和解码，将同一数据流的不同接收信号组合起来，恢复出原始信号。 空间分集可以起到可靠传输数据的作用。

无论是复用技术还是分集技术，都涉及到将一路数据变成多路数据的技术，即空时编码技术。

常用的空间分集技术包括STBC（空时块编码）、SFBC（空频块编码）、TSTD/FSTD（时间/频率转换发射分集）和CDD（循环延迟分集）。

STBC的主要思想是在空间和时间两个维度上排列不同版本的数据流，可以起到时间和空间分集的效果，从而降低信道误码率，提高可靠性。 如图所示，天线1上的两个符号s1和s2分别放置在子帧中两个时隙的第一个OFDM符号周期上； 天线2上的两个符号交换时隙位置，并将它们的其他符号版本-s2*、s1*分别放置在该子帧的两个时隙上。

SFBC的主要思想是将不同版本的数据流在空间和频率两个维度上进行排列，可以起到空间分集和频率分集的效果。 在天线1上，两个符号s1和s2分别布置在两个相邻的子载波上。 在天线2上，这两个符号交换了子载波的位置，并将它们的其他版本——s2*、s1*分别放置在这两个子载波上。

TSTD还将数据流的不同部分从空间和时间两个维度进行排列，具有空间和时间分集的效果。 在天线1和天线2的时隙位置，符号流s1和s2交叉排列，符号排队等待发送。 在第一个符号周期，这个符号放在天线1上发射，在下一个符号周期，放在天线2上发射，以此类推。

TSTD/FSTD技术的矩阵表示如图所示，

2.3 多天线工作模式对比

多天线技术主要指以下四种：空间复用、空间分集、空分多址（SDMA）、波束赋形。

空间分集是利用天线之间的非相关性来实现的。 这种不相关性要求天线之间的距离应大于10个电磁波波长。 目的是提高链路质量而不是链路容量。

空间复用也是通过利用天线之间的不相关性来实现的。 一般需要多个发射和接收天线，即MIMO方式或智能天线方式。 在复用期间，并行发送和接收多个数据流以提高链路容量（峰值速率）而不是链路质量。

空分多址使用相同的时隙、相同的子载波、但不同的天线来传输来自多个最终用户的数据。 如果要区分不同用户的数据，就需要天线之间不相关。 空分多址的主要目的是在链路上容纳更多的用户，通过空间区分用户来增加容量。

波束形成利用电磁波之间的相干特性将电磁波的能量（波束）集中在特定方向。 与上述三种不同的是，波束形成利用天线单元之间的相关性。 因此，波束赋形要求天线之间的距离更小，通常为波长的1/2左右。 主要目的是增强覆盖、抑制干扰。 采用波束成形的多天线技术是传统的智能天线（Smart Antenna）技术，也称为AAS（Adaptive Antenna System）。 TD-SCDMA系统的关键技术是智能天线。

MIMO主要利用天线之间的非相关性，而智能天线主要利用天线之间的相关性。 MIMO可以有效克服多径效应； 而智能天线克服多径的能力有限，但抗干扰效果较好。

2.4 MIMO工作模式总结

MIMO系统可以根据不同的系统条件和不断变化的无线环境，采用不同的工作模式。 协议中定义了以下七种MIMO工作模式：

3. MIMO系统的实现

货物运送到港口的过程分为三个步骤：

步骤一：封装方式选择（类似于传输块TB的形成）；

步骤2：根据货物类型和目的地进行初步分类（类似图层映射）；

步骤3：运输公司选择（预编码矩阵选择）。

运输公司确定后，由运输公司选择港口，发货人无需关心发哪个港口。

不同的港口对应不同的运输公司和运输渠道。 如何选择发运港口？

有两种方法：开环法和闭环法

开环是指根据港口情况判断快件，无需等待收货方确认快件质量。

闭环需要等待收货人对交付质量的反馈来决定选择哪种包装方式和运输公司。

3.1 信息处理过程（本节知识涉及很多通信技术）

以发送图片为例。 经过手机对照片的高级处理后，照片变成高速比特流。 这个过程就是信源编码的过程。 这些告诉比特流在MAC层以某种方式打包和封装，形成传输块(TB)。 TB是从MAC层传输到物理层的货物。 TB是信道编码前包含比特数据的子帧，时间长度为1ms（一个TTI）。 一个TB由很多RB组成。 换句话说，TB块可以大也可以小，这取决于调度器分配给用户的资源数量、调制和编码方法、天线映射方法等。

照片被转换成 TB 块并发送到 LTE 物理层。 处理过程如图所示。

当TB块到达物理层时，必须首先对其进行信道编码。

信道编码的目的是使数据流具有纠错能力和抗干扰能力。 信道编码是在源比特数据流中按照一定的规则添加一些冗余比特，可供接收端判断或纠正错误。

常用的信道编码规则是Turbo编码。 Turbo 码接近香农公式揭示的信道极限容量。 但在数据量较大的情况下，LDPC（低密度奇偶校验码）能够获得比Turbo码更高的编码增益，同时还降低了接收端解码的复杂度，受到很多公司的推崇。

信道编码的目的是增加无线通信的可靠性，但它增加了冗余比特，降低了有用信息数据传输的比例，增加了系统开销。

接下来的过程就是交织。 交织的过程就是打乱原始比特流的顺序。 这样做之后，连续深度衰落对信息的影响实际上作用在混洗后的比特数据流上； 恢复原始顺序后，影响不再是连续的，而是离散的，并且可以根据恢复损坏的原始数据的冗余位轻松确定。

用扰码序列对编码数据逐位进行加扰操作。 加扰序列是PN序列(伪噪声序列)。 PN码可以使数据之间的干扰随机化，并且可以抵抗干扰。 同时使用PN序列进行加扰，就像给数据上了一把锁，而这个PN序列就是钥匙。 在接收端，只有用这把钥匙才能开锁。 也就是说，加扰起到了保密的作用，可以抵抗窃听。

调制是将比特数据流映射到复平面上的过程，也称为复调制。 QAM是一种联合幅度和相位调制技术，它同时利用载波的幅度和相位来传输信息比特。

复平面的数学工具非常适合表示这种既有调幅又有调相的变换关系。

若调制符号为x，则x可以用I和Q表示，即x=I+jQ。 符号的I和Q分量分别对应于复平面的实部和虚部，即水平和垂直方向。

复调制的输入是由0和1组成的比特流，输出是I和Q值。 然后，通过在两个相互正交的载波（例如cos wt 和sin wt）或两个相互正交的时隙上进行幅度调制来调制映射的I和Q分量。

LTE的复杂调制包括BPSK、QPSK、16QAM和64QAM。 相比之下，3G HSDPA中的最高阶调制方式仅达到16QAM，而LTE中的最高阶调制方式可以达到64QAM。

完成调制后，基带将进行MIMO相关处理。 将信道编码调制后的比特数据流发送到发射天线端口的过程有两个子过程：层映射和预编码。

数据流的数量与发射天线的数量不一致。 将数据流比特发送到不同的发射天线、不同的时隙、不同的子载波是一个复杂的数学变换过程。 这个过程是使用层映射和预编码来完成的。

为什么不通过一步数学变换将多路数据流直接映射到天线端口，而是增加一层中间层？

中间层的增加就像从海口坐火车到哈尔滨，在中间站北京转车； 换乘站的增加简化了铁路运输系统的运输安排。

同样的道理，添加图层映射的目的也是为了简化复杂的数学变换。 无线环境非常复杂。 MIMO的应用模式必须根据无线环境来选择，比如复用还是分集？ 如何重用或多样化？

层数(Layer)由信道的秩决定，信道的秩代表一定无线环境下MIMO系统的独立信道的数量。 层数一般小于或等于信道矩阵的秩，当然也小于或等于用于物理信道传输的天线端口数P。

层映射是将编码调制后的数据流按照一定的规则重新排列，将独立的码字映射到空间概念层。 该空间概念层是物理天线端口的中转点。 通过这样的转换，原始串行数据流有了初步的空间概念。

预编码是将层数据映射到不同的天线端口、不同的子载波、不同的时隙，以达到分集或多路复用的目的。 预编码过程就是空时编码的过程。 将编码和调制数据发送到天线端口的过程。 以公司的配送流程为例，分层映射是对自己的货物进行初步分类，而预编码流程是为了运输公司安排不同的配送方式。

预编码数据已经确定了天线端口，也就是说空间维度资源已经确定； 在每个天线端口上，预编码数据对应于由子载波和时隙组成的二维物理资源（RE）。 优越的。 接下来，生成 OFDM 符号，将其插入到 CP 中，然后从每个天线端口发送出去。

在接收端，通过多天线接收机读取接收到的信号，并从OFDM时频资源中读取相应的数据。 经过预编码和层映射的逆过程后，再进行解调、解扰、解交织、解码，最后恢复。 输出原始信息位。

层映射、预编码及其逆过程与求解线性方程组的未知数相同，只是发送过程和接收过程需要求解的未知数不同。

此时，对方即可收到发件人发送的照片。

之后是层映射、预编码、自适应MIMO和多用户MIMO等详细的MIMO知识。 我不会写下来。 如果你有兴趣，可以看看书。

运输块

传输块是包含MAC PDU的数据块。 该数据块将在一个TTI上传输，也是HARQ重传的单位。 LTE规定：对于每个终端，一个TTI最多可以发送两个传输块。 这是针对某个UE而言的，对于eNodeB来说，每个TTI调度两个以上的传输块，因为可以同时调度多个UE。 TB是MAC的概念。

码字

码字是在TTI上发送的独立传输块（transport block），包含CRC比特并且已经过编码（Encoding）和速率匹配（Ratematching）。 LTE 规定：每个终端每个 TTI 最多可以发送两个码字。 通俗地说，码字就是TB加CRC。

图层映射

将一个或两个码字分别加扰调制后得到的复符号根据层映射矩阵映射到一层或多层传输层。 层映射矩阵的维度为C×R，C为码字数，R为秩，即使用的传输层数。

天线端口

天线端口是一个逻辑概念。 天线端口可以是一根物理发射天线，也可以是多根物理发射天线的组合。 在这两种情况下，终端（UE）的接收器（Receiver）都不会分解来自天线端口的信号，因为从终端的角度来看，无论信道是由单个物理发射天线还是由由多个物理发射天线组成。 该天线端口对应的参考信号(ReferenceSignal)定义了该天线端口。 终端可以基于该参考信号获得该天线端口的信道估计。

码字数、阶数和天线端口数之间的关系

传输块数=码字数(C)

今天给大家带来Win8平板重装系统的教程。 本教程同样适用于Dell 8 Pro以及Cube的Iwork8系列等国产产品。 所有Intel BayTrail芯片组都是通用的，所以让我们学习和使用它们。 也许有的朋友会想到使用WinPE来安装。 然而，传统的WinPE无法启动，因为它只支持32位UEFI启动。 目前还没有发现这种WinPE。 另外需要注意的是，虽然BayTrail拥有64位芯片组，但它只能使用32位UEFI启动，因此只能安装32位Win8.1。 想安装64位操作系统的朋友不用担心，是不行的。 在系统安装过程中，您的所有数据都将被清除。 如果有有用的数据，请备份。 好吧，我们进入正题：

1. 下载 Windows 8.1 32 位 (x86) DVD ISO 光盘映像文件。 使用UltraISO软件将镜像写入U盘。 UltraISO可以在百度上很多网站下载，但这里不提供下载地址。 UltraISO的使用方法如下：

写入接口：

2. 将以下 Diskpart 脚本命令复制并保存为 fenqu.txt 文件。 然后将文件复制到刚刚创建的系统U盘根目录下。 稍后将使用该文件。

脚本代码如下：

选择磁盘0

干净的

转换gpt

创建分区主大小=300

format fast fs=ntfs label="Windows RE 工具"

指定字母=“T”

创建分区efi大小=100

rem == 注意：对于高级格式第一代驱动器，更改为 size=260。

格式快速 fs=fat32 标签=“系统”

分配字母=“S”

创建分区 msr 大小=128

创建分区主大小=20000

格式快速 fs=ntfs 标签=“Windows”

分配字母=“W”

创建主分区

格式快速 fs=ntfs 标签=“其他”

分配字母=“O”

3. 用USB分线器插入平板电脑，然后插入鼠标、键盘和U盘。 也可以使用无线鼠标，这是我使用的无线鼠标。 USB HUB必须是USB2.0的，并且最好使用品牌的。 很多假货说是2.0，其实是USB1.1。 就是很慢、很慢、卡住、无法使用的那种。 连接如下图：

3、所有准备工作都完成了，我们开始安装系统吧！ 开机后按F7选择U盘启动（DELL为F12，不同品牌不同）。 稍等片刻，就会出现Win8.1安装窗口。 出现第一个“下一步”后，请勿单击“下一步”。 按shift+F10快捷键，弹出CMD命令界面，输入以下代码：

DiskPart /s D:fenqu.txt

D: 是您的 USB 驱动器盘符。 可以根据自己的实际情况更改为其他盘符。

等待系统自动为您分区并格式化。 执行此步骤后，您的所有数据都将被清除。 如果有有用的数据，请做好备份。

5、分区提示完成后，按下一步，然后选择下面的“自定义：仅安装Windows（高级）（C）”，如下图：

选择磁盘时，选择20G的（下图界面图仅供参考，有所不同），点击下一步。

剩下的就是等待Win8自行安装了。 安装完成并重启完成后就可以使用新系统了！