10_tm511710en02gla01_mimo for Lte

MIMO

MIMO

Contents 1 Transmission Modes in 3GPP 3 2 Antenna Mapping and Precoding 12 3 Transmission Diversity 16 4 Spatial Multiplexing 20 5 Examples 27

TM5117 LTE AIR INTERFACE © 2010 Nokia Siemens Networks

1

MIMO

TM5117EN02GLA01© 2010 Nokia Siemens Networks

2

MIMO

1 Transmission Modes in 3GPP


3

MIMO

Various multiplexing methods are based on different grades of freedom as there are time (TDMA) frequency (FDMA) and code (CDMA). Multi antenna technology additionally may deploy space (SDMA).

So in addition to OFDM a set of technologies using multiple transmitter and receiver antennas are used. In particular MIMO (Multiple Input Multiple Output) is a main contribution to the high spectral efficiency of an LTE system. The physical layer of LTE supports several variants which are used to increase the channel’s capacity or to improve coverage and channel quality. In a broader sense any transmission with multiple transmit and multiple reception antennas could be considered to be MIMO. The propagation channel is hereby considered as the transmitting system, so that transmission antennas are handled as input to the channel, whereas receiver antennas are the output of it. However to describe the different multiple antenna modes in a more narrow sense only spatial multiplexing is considered "true" MIMO.


4

MIMO

Multiple-Input Multiple-Output MIMO Principle (1/2)

Tm

T2

T1

Rn

R2

R1

••••••

Input

Input 1

Input 2

Input m M x NMIMO system

Output

• MIMO: Multiple-Input Multiple Output• M transmit antennas, N receive antennas form MxN MIMO system• huge data stream (input) distributed toward m spatial distributed antennas; m parallel bit streams (Input 1..m)• Spatial Multiplexing generate parallel “virtual data pipes”• using Multipath effects instead of mitigating them

Signal from jth Tx antennaSj

MIMOProcessor

Fig. 1Multiple-Input Multiple-Output MIMO Principle (1/2)

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5

MIMO

MIMO Principle (2/2)

Tm

T2

T1

Rn

R2

R1

MIMOProcessor

••••••

Input

Input 1

Input 2

Input mM x NMIMO

Output

h1,1

h2,1hn,1

hn,2

hn,m

h2,2

h2,m

h1,mh1,2

• Receiver learns Channel Matrix H• inverted Matrix H-1 used for recalculation

of original input data streams 1..m

∑=

+∗=m

jijjii nshy

1,

Signal at ith Rx antennaYi

Signal from jth Tx antennaSj

ni: Noise at receiver

H =h1,1

h2,1

hn,1

•••

h1,2

h2,2

hn,2

•••

h1,m

h2,m

hn,m

•••

• • •

• • •

• • •

• • •

Fig. 2MIMO Principle (2/2)

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MIMO

In LTE different DL transmission modes (1..7) are defined: • Single-antenna port; port 0 • Transmit diversity • Open-loop spatial multiplexing • Closed-loop spatial multiplexing • Multi-user MIMO • Closed-loop Rank=1 precoding • Single-antenna port; port 5


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MIMO

3GPP MODE 1•Single antenna port; port 0 •1 TX antenna transmitting always on port 0

3GPP Mode 4•Closed Loop spatial multiplexing •Multiple antennas transmitting different signals •Feedback from the UE used•Improves user data rate

3GPP MODE 2•Transmit diversity •Multiple antennas transmit same signal •Improves SINR

3GPP Mode 3•Open loop spatial multiplexing •Multiple antennas transmitting different signals •No feedback from the UE used •Improves user data rate

Transmission Modes in 3GPP (1/2)

Fig. 3 Transmission Modes in 3GPP (1/2)

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MIMO

3GPP MODE 5•Multi user MIMO •Multiple antennas transmitting to different UEs in the cell • Increase sector capacity

3GPP Mode 6•Closed-loop Rank=1 precoding•Beamforming •UE signals back the suitable precoding for the beamforming operation

3GPP Mode 7•Single Antenna port; port 5•Beamforming • UE specific reference signals are generated for feedback

Transmission Modes in 3GPP (2/2)

Fig. 4 Transmission Modes in 3GPP (2/2)

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MIMO

Transmission on a single antenna port This transmission is defined as antenna port 0 transmission. The mapping of the transmission data is straightforward, i.e. there is an one to one relation between input and output. Closed loop spatial multiplex The number of antenna ports is either 2 or 4 where a precoding without CDD is in use. Depending on the number of layers a mapping of the symbols of the codewords to the different (2, 3 or max. 4) layers will be performed. The next step comprises the precoding which is based on codebooks. Therein precoding matrices are defined. One matrix is chosen and applied to the symbols of the layers. In case of 2 antenna ports the codebook consists of 2 matrices, in case of 4 antenna ports there are 16 entries. A restriction may be signaled so that only a subset thereof can be used. The UE feedbacks values of RI and PMI.

Open loop spatial multiplex In case of open loop spatial multiplex two cases have to be distinguished. If the transmitted rank indication (TRI) = 1 the transmission mode corresponds to transmit diversity. If TRI >1 large delay CDD is used. The number of layers is 2, 3 or 4. The overall precoding is done by a multiplication of the matrices W, D and U. Large delay cyclic delay diversity is introduced by the matrix D. Transmit diversity Transmit diversity is of rank 1. The number of antennas is 2 or 4. However only a single codeword is mapped to either 2 or 4 layers. I.e. there is no straightforward multiplication in terms of the transmitted bitrates. However by means of the diversity gain the SINR can be improved and subsequently also the resulting rate may be escalated. The processing steps also comprise layer mapping followed by precoding


10

MIMO

Closed-loop Rank=1 precoding Closed loop precoding rank 1 is precoding without CDD on 2 or 4 antenna ports. where the number of layers is limited to 1, i.e. rank =1. Also precoding is based on a codebook defining matrices W. The number of precoding matrices is 4 and 16 for 2 and 4 antennas respectively. Multi-user MIMO Similarly this mode applies precoding based on matrix W and one layer. A power offset may be used which is signaled on PDCCH. Single antenna port 5 For purpose of this single-antenna-port transmission UE-specific reference signals are generated. This applies solely to these resource blocks which are intended for scheduled PDSCH transmissions for this UE.


11

MIMO

2 Antenna Mapping and Precoding


12

MIMO

scrambling

scrambling

Modulationmapper

Modulationmapper

Layermapper Precoding

Resource element mapper

Resource element mapper

OFDM signal generation

OFDM signal generation

Code words layersAntenna

ports

Split into several streams

if needed Weighting data

streams for transmission

Source: 3GPP TS 36.211 V8.6.0

LTE DL: Baseband Signal Generation

Fig. 5 LTE DL: Baseband Signal Generation

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MIMO

Layermapper

Precoding

Maximum of two CODEWORDS

Up to NLLAYERS

NAANTENNA

PORTS

RANK

1 CODEWORD = 1 Transport Block which is coded and modulated (input)

LAYERS = different streams used by spatial multiplexing Mapping of symbols onto antenna ports

ANTENNA PORT = defined by specific reference signals

RANK = number of layers transmitted

Antenna Mapping

Antenna mapping

Fig. 6 Antenna Mapping

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MIMO

MIMO Precoding Principle

1

2

ss⎡ ⎤

= = ⎢ ⎥⎣ ⎦

C sPrecodingW

1s

2s

1c

2c1s

2s

Received signal

= +r Hs nDecoding works best if paths are decoupled, i.e. channel matrix H is unit matrix, H = I2

We can precode the transmitted vector, multiplying it with a precoding matrix, W.

= + = +r HWs n Hs n%

W can be chosen so that the equivalent channel is a unit matrix

12

−= ⇒ =W H H I%To determine the precoding matrix W, knowledge about the channel matrix is needed!The UE receiver may estimate the DL channel and estimate a suitable precoding matrix (from a set of available matrices). The precoding matrix could then be sent as feedback to the eNodeB.

Fig. 7 MIMO Precoding Principle

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15

MIMO

3 Transmission Diversity


16

MIMO

Precoding for transmit diversity (2 antenna ports assumed)

For transmission on two antenna ports the outputof the precoding operation is defined by

For with

{ }1,0∈p [ ]Tiyiyiy )()()( )1()0(=

1,...,1,0 apsymb−= Mi

( )( )( )( )⎥⎥

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

++

)(Im)(Im)(Re)(Re

001010010

001

21

)12()12(

)2()2(

)1(

)0(

)1(

)0(

)1(

)0(

)1(

)0(

ixixixix

jjj

j

iyiyiyiy

1,...,1,0 layersymb−= Mi layer

symbapsymb 2MM =


3GPP Mode 1- Transmit Diversity (2)

Fig. 8 3GPP Mode 1- Transmit Diversity (2)

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17

MIMO

Example Codeword to Layer Mapping Transmit Diversity

Layermapper

Precoding

Antenna mapping

d0, d1, d2, d3, d4, d5

x0 = d0, d2, d4

x1 = d1, d3, d5

1 CODEWORD2

LAYERS

y(0) = Re(d0) + j *Im(d0), Re(d1) + j*Im(d1)

2 ANTENNA PORTS

y(1) = - Re(d1) + j *Im(d1), Re(d0) - j*Im(d0)

d0, d1, d2, d3, d4, d5 – 6 elements of the transport block(coded and modulated bits)

Fig. 9 Example Codeword to Layer Mapping Transmit Diversity

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18

MIMO

Transmit Diversity – Two Antenna Ports

Layer mapper

Pre-coding

Symbols after scrambling and modulation

X(0)

X(1)

y(0)

y(1)

RE mappingOFDM signal( )

( )( )( )⎥⎥

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−=

⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

++

)(Im)(Im)(Re)(Re

001010010

001

21

)12()12(

)2()2(

)1(

)0(

)1(

)0(

)1(

)0(

)1(

)0(

ixixixix

jjj

j

iyiyiyiy

Fig. 10 Transmit Diversity – Two Antenna Ports

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19

MIMO

4 Spatial Multiplexing


20

MIMO

Codeword to layer mapping:

Number of layers

Number of code words

Codeword-to-layer mapping

1 1

2 2

2 1

3 2

4 2

1,...,1,0 layersymb −= Mi

)()( )0()0( idix = )0(symb

layersymb MM =

)()( )0()0( idix =)()( )1()1( idix =

)1(symb

)0(symb

layersymb MMM ==

)12()()2()(

)0()1(

)0()0(

+==

idixidix layer (0)

symb symb 2M M=

)()( )0()0( idix =

)12()()2()(

)1()2(

)1()1(

+==

idixidix 2)1(

symb)0(

symblayersymb MMM ==

)12()()2()(

)0()1(

)0()0(

+==

idixidix

22 )1(symb

)0(symb

layersymb MMM ==


Fig. 11 3GPP Mode 4 – Closed Loop Spatial Multiplexing

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21

MIMO

Layermapper

Precoding

Antenna mapping

2 CODEWORD 2 LAYERS

a0, a1, a2, a3x0 = a0, a1, a2, a3

x1 = b0, b1, b2, b3

b0, b1, b2, b3

Example Codeword to Layer Mapping Spatial Multiplexing

a0, a1, a2, a3 - 4 elements of the first transport blockb0, b1, b2, b3 - 4 elements of the second transport block (coded and modulated bits)

Fig. 12 Example Codeword to Layer Mapping Spatial Multiplexing

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22

MIMO

Codebook with the number of layers = 2

Codebook for Precoding

Codebook index

Number of layers ν

0

1

2

3-

1 2

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡11

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡1001

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−11

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−1111

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡j1

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡− jj11

21

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡− j1

21

Fig. 13 Codebook for Precoding

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23

MIMO

Layermapper

Precoding

Antenna mapping

2 CODEWORD2

LAYERS

a0, a1, a2, a3x0 = a0, a1, a2, a3

x1 = b0, b1, b2, b3

b0, b1, b2, b3

Example Codeword to Layer Mapping Transmit Spatial Multiplexing

2 ANTENNA PORTS

y0 = a0 +b0, a1 + b1

y1 = a0 – b0, a1 – b1

a0, a1, a2, a3 - 4 elements of the first transport blockb0, b1, b2, b3 - 4 elements of the second transport block (coded and modulated bits)

Fig. 14 Example Codeword to Layer Mapping Transmit Spatial Multiplexing

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24

MIMO

Spatial Multiplexing

Layer mapper

Pre-coding

RE mappingOFDM signal

Layer mapper

Pre-coding

Symbols after scrambling and modulation, 2 code words

Two data stream are supported

Spatial multiplex rank 2

Transmission on a single antenna port

Fig. 15 Spatial Multiplexing

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MIMO

3GPP Mode 4•Closed Loop spatial multiplexing •Multiple antennas transmitting different signals •Feedback from the UE used •Improves user data rate

3GPP Mode 3•Open loop spatial multiplexing •Multiple antennas transmitting different signals •No feedback from the UE used •Improves user data rate

Differences between Mode 3 and 4

In case of open loop spatial multiplex two cases have to be distinguished. If the transmitted rank indication (TRI) = 1 the transmission mode corresponds to transmit diversity.If TRI >1 large delay CDD is used. The number of layers is 2, 3 or 4.

In case of closed loop spatialmultiplexing feedback from the UE it is used.The UE feedbacks values of the RI = Rank Indicator and PMI = Precoding Matrix Indicator.In case of 2 antenna ports the codebook consists of 2 matrices, in case of 4 antenna ports there are 16 entries. A restriction may be signaled so that only a subset thereof can be used.

Fig. 16 Differences between Mode 3 and 4

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MIMO

5 Examples


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MIMO

Examples of MIMO Usage

Spatial multiplexin

g

Transmission diversity

Typically, close to the eNodeB Spatial multiplexing could be used to improve the throughputAt the cell edge Transmission diversity could be used to improve the coverage

MIMO type Gain downlink

Transmission diversity 2x2 MIMO

+3…5dB downlink link budget due to SINR improvement

Spatial multiplexing 2X2 MIMO

+100% peak data rate

Spatial multiplexing 4X4 MIMO

+300% peak data rate

Fig. 17 Examples of MIMO Usage

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MIMO


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Documents

10_tm511710en02gla01_mimo for Lte