LTE/LTE-A MIMO原理與應(yīng)用

 1 概述

天線技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，也讓越來越多的人意識到通過多天線技術(shù)實現(xiàn)傳輸速率的增加是一種有效方式。MIMO(mutiple input mutiple output，多輸入多輸出)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它通過采用空時編碼(STC),利用多天線陣列實現(xiàn)空間分集、復(fù)用或者波束賦形，在有限的帶寬內(nèi)極大的提高了頻譜效率。因此，MIMO成為Wimax, LTE, 802.11n以及幾乎所有未來“熱門”的無線通信系統(tǒng)所必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3GPP Release8版本中定義的LTE采用了MIMO技術(shù)，其下行的峰值速率最高可達(dá)300 Mbp(4×4 MIMO)和150 Mbps(2×2 MIMO)。為了保持3GPP標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭優(yōu)勢，3GPP于2008年4月正式開始了LTE演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)——LTE-Advanced(以下簡稱LTE-A)研究和制定，采用了上行4×4 MIMO和下行8×8MIMO技術(shù)。

2 LTE-A MIMO應(yīng)用場景

回顧香農(nóng)定理，信道極限速率與可用帶寬及信噪比有關(guān)系。在帶寬一定的條件下只有打信噪比的主意了。也就是通過提升信噪比來提速，但是當(dāng)信噪比提升到一定程度后再提升信噪比的話，速率雖然會提升，但提升的不明顯了，畫成曲線的話，其走勢類似對數(shù)曲線。

C = BLOG2 +(1+ S/N)(1)

可見，當(dāng)信噪比很差的時候，通過提升信噪比可使速率明顯提升，因此應(yīng)用傳輸分集和波束賦形技術(shù)可以有效提高接收信號的信噪比，從而提高傳輸速率和覆蓋范圍。而當(dāng)信噪比已經(jīng)不錯的情況下，再通過提高信噪比來獲取速率的提升就不明顯了。這也是為什么盡管成本高，運(yùn)營商也會讓MIMO空分復(fù)用模式登場的原因。即在現(xiàn)實中，信噪比很好的條件下想要大幅提升速率只有另辟蹊徑，通過空間這個新的維度來增加速率了，也就是說，在離基站信號不遠(yuǎn)的條件下適合MIMO的空分復(fù)用模式。而在基站邊緣或覆蓋不好的情況下，用波束賦形來提升信噪比更適合。下面來詳細(xì)看看LTE-A MIMO技術(shù)的分類和應(yīng)用場景。

2.1 空分復(fù)用

無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空分復(fù)用的效果更加明顯。無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空分復(fù)用的效果要差許多。

現(xiàn)實中MIMO通信網(wǎng)絡(luò)的部署也能從上述分析中得到啟示：在一個典型的小區(qū)蜂窩網(wǎng)中，基站往往架設(shè)在較高的地方，四面開闊，極少有反射體和遮擋物，所以為了保證MIMO系統(tǒng)享有較好的性能，通常在基站側(cè)要拉大天線間的間距(至少為5~10倍波長)，從而保證足夠多的不相關(guān)的多徑信號;而在用戶側(cè)情況就不同了。我們周圍充斥著大量的建筑、墻體，用戶本身就處在天然的、豐富的反射體包圍中，所以用戶設(shè)備一般不需要太大的天線間距就可以滿足性能的需求(一般為波長的0.5~1倍)，現(xiàn)在不用擔(dān)心將來的手機(jī)長著像牛角一樣分叉的天線了。

對于適用于密集城區(qū)地區(qū)的MIMO應(yīng)用，可以用開環(huán)MIMO和閉環(huán)MIMO 2種MIMO模式選擇，如圖所示。1其中閉環(huán)MIMO由于基站依賴終端的反饋信息進(jìn)行預(yù)編碼，對環(huán)境要求較高，但由于擁有PMI/RI的反饋調(diào)整，其數(shù)據(jù)可靠性較強(qiáng);對于開環(huán)MIMO，其健壯性較強(qiáng)，對SNR要求和信道相關(guān)性要求不如閉環(huán)MIMO嚴(yán)格。

圖1 MIMO空分復(fù)用的2種實現(xiàn)形式：開環(huán)與閉環(huán)

2.2 波束賦形

波束賦形也叫波束成型或智能天線，在3G技術(shù)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。通過對多根天線輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實現(xiàn)信號的增益。系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(例如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號的相位(數(shù)據(jù)相同)，以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時，可以采用隨機(jī)波束成形的方法實現(xiàn)多用戶分集。

波束賦形技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時，可以實現(xiàn)較好的信號增益及干擾抑制使小區(qū)邊緣性能提升。波束賦形技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，接收端會收到太多路徑的信號，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳。

圖2 波束賦形的天線陣列原理示意

現(xiàn)實中，中國移動采用的TDD-LTE上下行是用同一個頻率，因此可以通過單邊的信道估計來獲取上行和下行的信道情況，所以，TDD網(wǎng)絡(luò)非常適合波束賦形(因為波束賦形功能的前提是對信道有個良好的估計)，可以提高一定的信噪比，在網(wǎng)絡(luò)邊緣的覆蓋能力更強(qiáng)。而FDD-LTE上下行是不同的頻段，因此不具備這種優(yōu)勢，一般不采用波束賦形。

2.3 雙流波束賦形=波束賦形+空分復(fù)用

波束賦形(智能天線)是否能實現(xiàn)明顯增益，受到無線環(huán)境的影響。無線環(huán)境可以分為以下2種：

1)直視信道(LOS，line of sight)具有貧散射環(huán)境，更有利于智能天線的使用：天線陣元間相關(guān)性高、主徑明顯、能量集中、賦形算法簡單、受信道估計精度影響小，智能天線易獲得增益。

2)非直視信道(NLOS，none line of sight)具有富散射環(huán)境，智能天線較難獲得明顯增益：天線陣元相關(guān)性低、主徑不明顯、能量分散、賦形算法較復(fù)雜，受信道估計精度影響大，更適合使用MIMO空間復(fù)用。

圖3 雙流波束賦形天線陣列原理

為了協(xié)調(diào)波束賦形與空分復(fù)用的矛盾，雙流波束賦形正是將波束賦形和空分復(fù)用結(jié)合起來，揚(yáng)長避短的一種方案。它在一副天線陣元上疊加2套賦形權(quán)重，形成2個波束，在終端角度看來，形成2個等效的“虛擬天線”。2個虛擬天線上可以一個用戶終端傳送不同的數(shù)據(jù)，即空分復(fù)用;也可以給2個不同的用戶終端傳送數(shù)據(jù)，也就是空分多址。

為了實現(xiàn)雙流波束賦形，中國移動的TDD-LTE基站一般具備8天線，如下圖紅色虛線框中所示。為了實現(xiàn)雙流波束賦形，8根天線分為兩組。

● 兩組天線之間的極化方式為垂直交叉極化：紅色組天線+45°極化，藍(lán)色組天線-45°極化。這樣就使組間的天線相關(guān)度低，從而易于實現(xiàn)空分復(fù)用。

● 每組天線內(nèi)，天線大約在空間上間隔四分之一波長。這樣就使天線陣列在組內(nèi)可以實現(xiàn)高度的相關(guān)性，從而易于實現(xiàn)波束賦形。

圖4 TDD-LTE八天線波束賦形天線陣列原理(上)和實物(下)

3 MIMO在LTE中的應(yīng)用現(xiàn)狀

三大運(yùn)營商采用的LTE雙工方式不同，中國移動確定采用TDD-LTE。大規(guī)模外場測試中無線通信環(huán)境邊界條件復(fù)雜，使用不同的傳輸技術(shù)以適配不同的應(yīng)用場景尤為重要。如果選擇不當(dāng)，不僅不能達(dá)到網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)，而且會造成網(wǎng)絡(luò)干擾加大等惡劣影響。MIMO的幾種模式分別適用于不同的場景，按照切換的邊界條件來分，從離城市中心到郊區(qū)以及小區(qū)邊緣，分別可以用如下傳輸方式布網(wǎng)：離基站比較近、信號較強(qiáng)、靠近市中心、多徑衰落較強(qiáng)的城市中心地區(qū)，可以使用閉環(huán)MIMO，由于有閉環(huán)的RI/PMI反饋，其速率穩(wěn)定、誤碼率較低，可以獲得多天線增益，但是對邊界條件要求比較嚴(yán)格;如果環(huán)境較為惡劣，SNR較低，信道相關(guān)性稍低，可以使用開環(huán)MIMO方式;在城市郊區(qū)較為開闊、信道相關(guān)性較高的郊區(qū)地區(qū)，依照速度的不同，選擇波束賦形，波束賦形技術(shù)更可以利用TDLTE系統(tǒng)中上/下行信道互易性，針對單個用戶動態(tài)地進(jìn)行波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強(qiáng)小區(qū)邊緣的覆蓋性能。以上各種模式均可切換成發(fā)射分集模式，發(fā)射分集模式的健壯性強(qiáng)，對速度、信道環(huán)境與SNR要求均不高，但是無法產(chǎn)生多天線速率增益，只可以享受由于多天線并行傳輸帶來的分集增益。

如果運(yùn)營商使用FDD-LTE，根據(jù)前文所述，更多會采用4×4或8×8MIMO空分復(fù)用。

圖5 TDD-LTE小區(qū)理論上最佳的MIMO應(yīng)用場景