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空中接口学园在线学园教程1 原理与实现 → 领读笔记《LTE教程:原理与实现》5.4
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发文心情 领读笔记《LTE教程:原理与实现》5.4
5.4 空间复用:提高频谱利用率

5.4.1 空间复用的效果
5.4.2 层:空间复用的关键
5.4.3 层的数量
5.4.4 分离各层的数据
5.4.5 是MIMO还是DEMO

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发文心情 5.4.1 空间复用的效果
MIMO,即空间复用,是多天线技术的一种应用。优点是可以提高调制效率或者说频谱利用率,即单位HZ上调制的BIT数,增加单位带宽上的BIT数就是增加吞吐率。但是根据香浓公式,我们知道,在不增加带宽和功率的情况下,增加吞吐率,必然要更高的信噪比。实际上空间复用是通过增加传送层数,同时传送多层信息来提高吞吐率,但是更高的信噪比必然意味着覆盖范围更小。
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发文心情 5.4.2 层:空间复用的关键
层,即可分离的正交传输通道。每个传输通道都有一定的吞吐率,传输通道越多,传输容量越大。那么,为什么我们要采用增加多层传输通道的方式增加吞吐量,而不是采用增加发射功率的方式去增加吞吐量?
考虑到,传输损耗Lbf=32.5+20lgF+20lgD是确定的,而Pr=Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf (Gr是接收天线增益,Gt是发射天线增益,Lc是电缆和缆头的衰耗),故接收功率与发射功率成正比,而噪声又是确定的,故信噪比正比于发射功率。根据香浓公式,K=C/B=log2(1+S/N),得到
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可以看出单纯的增加发射功率,调制效率的增加十分有限,如果保持发射功率不变,额外增加一层传输通道,合并的调值效率将是原来的2倍(实际应用是每层均分发射功率)。
实际上,实施多层传输对信号质量要求高,只能用于基站附近,覆盖范围十分有限,可以说是一种锦上添花的技术;而分集和波束赋形,则是用于信号质量差的地方,是雪中送炭的技术。


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发文心情 5.4.3 层的数量
层的数量由两大因素决定:天线的配置和无线环境。
不同于发射分集,接收端单天线也可以实施发射分集,空间复用的层数首先由收发双方的天线配置决定,即等于收发天线数量的最小值。
其次,确定的天线配置,还要看无线环境,利用传输矩阵H来描述,可用层数等于H的秩RANK。借助下图
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 我们看出,接收信号矩阵R=传输矩阵H×发射信号矩阵S。
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如果可用层数等于最大层数,那么传输矩阵就称为满秩矩阵,满秩矩阵意味着各个传播路径不相干,各自独立。现实中,富杂散的环境,也就是空间中没有基站直射信号,只有发射/折射信号时,才会满秩。


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发文心情 5.4.4 分离各层的数据
接收端如何分离出各层信号呢?接收机知道R,知道了H,就可以根据R=H×S,解方程得到S,在实际应用中,我们进行了简化,令H=U×D×V,D是对角矩阵,U,V是相互正交的矩阵。让基站发射V'×S,这样R=H×V'×S=U×D×V×V'×S=U×D×S,V矩阵预先定义在码本里,终端根据信道状态通知基站使用何种V矩阵,确定了V,相互正交的U矩阵和对应的对角矩阵D也就确定了,这样接收时,解方程,将U`×R,得到U`×R=D×S。这样求得S的解方程过程得以简化。
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发文心情 5.4.5 是MIMO还是DEMO
MIMO技术接收时分离各层信号离不开解方程,首选,这必须是一次方程,保证是一次方程,就要用到OFDM与MIMO相结合,OFDM将宽带划分为很多子载波,而每个子载波上的传输特性可以线性化,宽带的传输特性却很难线性化;其次,传输矩阵的确定有赖于参考信号CRS。终端通过测量CRS,反馈给基站,确定传输矩阵;再次,传输矩阵不能频繁变化,不然终端测量开销会很大。最后,只有满秩的传输矩阵才能有确定的解。
综上所述,上面这些条件都满足,才可以实施MIMO,可见条件之苛刻,现实里很难实现。所以说现阶段的MIMO只是一种DEMO。
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发文心情 
总结下,接收分集,发射分集,波束赋形和空分复用的异同:
分集技术和波束赋形是用以提高天线接收增益的技术,能改善接收条件,而波束赋形是利用发射天线的相干性,分集是利用天线的不相干性,故这两者是相互矛盾的,只能二选一;空分复用是用以提高(显著提高)吞吐量/频率利用率的技术,但是换来的代价就是要求苛刻的信噪比,覆盖范围大幅下降。
还有一点,我在看发射分集和空分复用时,注意到都是它们通过编码使每个天线端口发射的信号相互正交,这样在接收端可分离。经过查阅相关资料,编码都是采用空时编码/空频编码,不同在于H(频率响应)的不同,而得到频率响应都依赖于信道估计(CRS/CSI-RS)。
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