在后3G時代，因能在不增加帶寬的情況下提高傳輸效率和頻譜利用率，MIMO多天線技術(shù)的試驗和應用也被提上日程，獲得運營商和產(chǎn)業(yè)鏈重視。
但對于業(yè)界熱議的MIMO優(yōu)勢，中國移動地方運營商人士并非同樣樂觀，在該人士看來，TD運營的兩年來，智能天線并沒有達到原來設計的效果，先進的技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)中的應用并不是一帆風順。
圍繞MIMO技術(shù)特性和應用關(guān)鍵，本刊邀請多位技術(shù)專家來一同解讀。
對話嘉賓：
江蘇郵電規(guī)劃設計院有限公司研究院院長 朱晨明
廣東電信規(guī)劃設計院有限公司 劉德全
大唐移動市場營銷部市場總監(jiān) 劉龍山
革命性的MIMO技術(shù)
記者：在3G深入優(yōu)化以及向4G演進的過程中，業(yè)界頻繁提到多天線技術(shù)的應用。該技術(shù)比以往的天線技術(shù)先進在哪里?
朱晨明：多天線技術(shù)(MIMO)是天線分集與空時處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，源于天線分集與智能天線技術(shù)，具有二者的優(yōu)越性。MIMO技術(shù)實質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益，空間復用技術(shù)可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。通常，多徑會引起衰落，因而被視為有害因素，然而對于MIMO來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用，MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素，能夠在不增加信號帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個數(shù)量級。
劉德全：在3G深入優(yōu)化以及向4G演進的過程中，各種技術(shù)都是在想方設法提高空中接口的效率，MIMO技術(shù)成倍增加了無線信道容量和頻譜利用率，這是以往天線無法實現(xiàn)的。
LTE系統(tǒng)中采用了MIMO技術(shù)，可以用在室外宏站中，也可以用在室內(nèi)分布系統(tǒng)中。在室外宏站中，采用多陣元天線構(gòu)成的MIMO雙極化板狀天線。室內(nèi)分布系統(tǒng)中，目前采用單極化吸頂天線，也就是每一路信息流采用一副單極化吸頂天線，隨著工藝改進，雙極化吸頂天線也將逐步成熟，屆時LTE的兩路信息流可以共用雙極化吸頂天線，這將減少一半天線數(shù)量，減小施工難度。
劉龍山：在目前的3G快速發(fā)展階段，TD網(wǎng)絡中的天線技術(shù)主要還是以智能天線為主。智能天線在算法、基帶處理等方面已經(jīng)非常成熟。對于智能天線的優(yōu)化，我們也提出過一些方案，例如TD網(wǎng)絡優(yōu)化有時需要調(diào)整天線方位角，以前的方法是通過人工對天線進行機械調(diào)整，現(xiàn)在則可以通過軟件來遠程實現(xiàn)電子調(diào)節(jié)。
多天線技術(shù)帶來的天線分集和賦形增益，可以有效擴大系統(tǒng)覆蓋范圍，顯著提高信號質(zhì)量;同時，多天線MIMO技術(shù)可以利用空間復用增益，顯著提升上下行吞吐量，適合于承載大流量的數(shù)據(jù)業(yè)務。
MIMO的兩大特征
記者：實現(xiàn)高頻譜利用率和增大系統(tǒng)的覆蓋范圍，是否可以視為是多天線技術(shù)的兩大目的?
朱晨明：信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，另外MIMO技術(shù)還可以提高網(wǎng)絡覆蓋能力：MIMO工作在分集模式下，通過分集增益可以增加小區(qū)覆蓋半徑;在復用模式下，通過提升小區(qū)邊緣速率獲得的分集增益來提升小區(qū)覆蓋半徑。
但值得注意的是，MIMO可以增加系統(tǒng)的覆蓋范圍也會犧牲部分數(shù)據(jù)傳輸速率，而MIMO技術(shù)的應用最終目的是解決系統(tǒng)容量，提升頻譜效率，因此實現(xiàn)高頻譜利用率是多天線技術(shù)的主要目的，而增大系統(tǒng)的覆蓋范圍并不是MIMO技術(shù)的主要目的。
劉德全：MIMO可以同時發(fā)送和接收多個空間流，提高信道容量。同時MIMO信道提供的空間分集增益也提高了信道的可靠性，降低誤碼率。
因此，MIMO通過利用多根天線，在不增加頻帶寬度的情況下提高數(shù)據(jù)傳輸速度，實現(xiàn)了高頻譜利用率，同時憑借空間分集增益也延長了通信距離。
劉龍山：這是多天線技術(shù)最明顯的兩個優(yōu)點。事實上現(xiàn)在的智能天線已經(jīng)在向這樣的方向發(fā)展。多天線技術(shù)復雜度較高，業(yè)界對于在3G階段是否引入MIMO多天線也有過討論，最終一致認為，從技術(shù)上和效益上，在TD-LTE時代引入MIMO多天線更為合適。
在硬件設備上，只要頻率合適，TD智能天線過渡到TD-LTE多天線不需更換設備。例如大唐的8天線雙流波束賦形已經(jīng)可以使智能天線在基帶處理單元上通過軟件升級支持多天線MIMO技術(shù)。
3G網(wǎng)絡不適合MIMO
記者：不同3G技術(shù)的演進上，多天線技術(shù)的成熟度和應用特點是否也不同?
朱晨明：經(jīng)過多年的研究，MIMO技術(shù)取得了一定的進展，但還有許多實際問題需要解決，如天線的數(shù)量和距離、接收機的復雜性、MIMO信道模型等，MIMO的成熟及大規(guī)模商用還有很長的一段路要走。
MIMO還未在3G網(wǎng)絡上得到應用，具體原因主要體現(xiàn)在以下幾個方面。[!--empirenews.page--]
天線問題。在MIMO的系統(tǒng)設計中，天線的數(shù)目和間距是重要的系統(tǒng)參數(shù)。具有多天線的基站更多地關(guān)注環(huán)境，因此，天線元的數(shù)目被限制在恰當?shù)臄?shù)目，比如說四根天線。而對于終端而言，1/2波長間距足夠保證非相關(guān)衰落?？梢栽O想終端天線的最大數(shù)為四根，當然，兩根天線實現(xiàn)的可能性更大。間距參數(shù)對于實現(xiàn)MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對于手機而言，安裝兩根天線可能是個問題。這是因為目前手機設計的趨勢是把天線放入蓋子里以改進外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。
接收機復雜度的問題。首先，接收機中對MIMO信道的估計使得復雜度增加。另外，復雜度還來自特別的RF、硬件和接收機高級分離算法。MIMO接收機應該是雙模的，以支持非MIMO模式。在MIMO模式時，接收機的每根天線使用一個RF鏈路，另外還要有附加的基帶操作，即用來消除空間干擾的空時合并器和檢測器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統(tǒng)的復雜度大約是單天線接收機的兩倍。由于MIMO接收機環(huán)境的時延擴展帶來的不同信道條件可能還需要均衡和干擾消除的處理，可能會進一步加大接收機的復雜度。
劉德全：從理論上來說，3G系統(tǒng)可以選擇采用MIMO技術(shù)，但是考慮到實現(xiàn)的復雜度等問題，目前我國正在運營的3G系統(tǒng)都沒有采用MIMO技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)采用了智能天線技術(shù)，這種技術(shù)也是采用了多陣元天線，但與MIMO不同的是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益，降低用戶間的干擾。因此智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)，但沒有實現(xiàn)空間復用，不是MIMO技術(shù)。WCDMA系統(tǒng)也進行了MIMO的標準化工作，但運營中沒采用多天線技術(shù)。
劉龍山：目前在技術(shù)上，TD網(wǎng)絡引入MIMO多天線技術(shù)更加靈活。WCDMA和cdma2000將走向LTE FDD，LTE FDD也會用到多天線技術(shù)，但TDD更有靈活性。多天線MIMO技術(shù)的實現(xiàn)涉及到信道狀態(tài)信息的反饋，TDD因其上下行信道采用相同的頻率，可以利用上下行信道的互易性，實現(xiàn)起來更為靈活。
4G的最佳選擇
記者：似乎多天線技術(shù)更適合在LTE以及4G中發(fā)揮作用?
朱晨明：MIMO將在LTE以及4G中得到廣泛應用。
針對LTE以及4G時代的高傳輸速率，必須采用一些具有高頻譜利用率的技術(shù)來實現(xiàn)。MIMO技術(shù)具有極高的頻譜利用率，而且其提供的空間分集可以顯著改善無線鏈路性能。
劉德全：MIMO曾被3G采用，主要利用MIMO空間分集的優(yōu)點提高系統(tǒng)性能。在WCDMA協(xié)議中，可使用6種分集發(fā)射方法，基站有2個發(fā)送天線，其本質(zhì)是MIMO的空間分集。基站每個天線到手機的信號通過正交碼來區(qū)分。另外，在3GPP的HSDPA中提出了使用MIMO天線系統(tǒng)，此系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線。
與傳統(tǒng)天線相比，MIMO由于采用多天線，提高信道容量的優(yōu)勢非常明顯，但是MIMO接收機設計的最明顯的劣勢是復雜度高。
因此雖然從理論上來說，TD-SCDMA系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)都可以選擇采用MIMO技術(shù)，但是考慮到實現(xiàn)的復雜度等問題，3G運營中并沒采用多天線技術(shù)。MIMO與OFDM結(jié)合將會是4G最佳選擇。
劉龍山：多天線技術(shù)MIMO技術(shù)主要將在TD-LTE實現(xiàn)應用。目前，大唐移動已經(jīng)與中國移動研究院展開合作，針對中國移動在全國范圍鋪開的TD網(wǎng)絡，8天線雙流賦形技術(shù)可以使其智能天線在后續(xù)發(fā)展上，平滑升級到TD-LTE，大大減少工程施工量。
在今年即將展開的TD-LTE規(guī)模試驗中，8天線技術(shù)將廣泛采用，大規(guī)模的應用可以對該技術(shù)進行全面驗證和進一步增強。
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