LTE/LTE-A MIMO原理与应用

 1 概述

天线技术和信号处理技术的发展，也让越来越多的人意识到通过多天线技术实现传输速率的增加是一种有效方式。MIMO(mutiple input mutiple output，多输入多输出)技术应运而生，它通过采用空时编码(STC),利用多天线阵列实现空间分集、复用或者波束赋形，在有限的带宽内极大的提高了频谱效率。因此，MIMO成为Wimax, LTE, 802.11n以及几乎所有未来“热门”的无线通信系统所必不可少的关键技术之一。

3GPP Release8版本中定义的LTE采用了MIMO技术，其下行的峰值速率最高可达300 Mbp(4×4 MIMO)和150 Mbps(2×2 MIMO)。为了保持3GPP标准的技术优势和市场竞争优势，3GPP于2008年4月正式开始了LTE演进标准——LTE-Advanced(以下简称LTE-A)研究和制定，采用了上行4×4 MIMO和下行8×8MIMO技术。

2 LTE-A MIMO应用场景

回顾香农定理，信道极限速率与可用带宽及信噪比有关系。在带宽一定的条件下只有打信噪比的主意了。也就是通过提升信噪比来提速，但是当信噪比提升到一定程度后再提升信噪比的话，速率虽然会提升，但提升的不明显了，画成曲线的话，其走势类似对数曲线。

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

可见，当信噪比很差的时候，通过提升信噪比可使速率明显提升，因此应用传输分集和波束赋形技术可以有效提高接收信号的信噪比，从而提高传输速率和覆盖范围。而当信噪比已经不错的情况下，再通过提高信噪比来获取速率的提升就不明显了。这也是为什么尽管成本高，运营商也会让MIMO空分复用模式登场的原因。即在现实中，信噪比很好的条件下想要大幅提升速率只有另辟蹊径，通过空间这个新的维度来增加速率了，也就是说，在离基站信号不远的条件下适合MIMO的空分复用模式。而在基站边缘或覆盖不好的情况下，用波束赋形来提升信噪比更适合。下面来详细看看LTE-A MIMO技术的分类和应用场景。

2.1 空分复用

无线信号在密集城区、室内覆盖等环境中会频繁反射，使得多个空间信道之间的衰落特性更加独立，从而使得空分复用的效果更加明显。无线信号在市郊、农村地区多径分量少，各空间信道之间的相关性较大，因此空分复用的效果要差许多。

现实中MIMO通信网络的部署也能从上述分析中得到启示：在一个典型的小区蜂窝网中，基站往往架设在较高的地方，四面开阔，极少有反射体和遮挡物，所以为了保证MIMO系统享有较好的性能，通常在基站侧要拉大天线间的间距(至少为5~10倍波长)，从而保证足够多的不相关的多径信号;而在用户侧情况就不同了。我们周围充斥着大量的建筑、墙体，用户本身就处在天然的、丰富的反射体包围中，所以用户设备一般不需要太大的天线间距就可以满足性能的需求(一般为波长的0.5~1倍)，现在不用担心将来的手机长着像牛角一样分叉的天线了。

对于适用于密集城区地区的MIMO应用，可以用开环MIMO和闭环MIMO 2种MIMO模式选择，如图所示。1其中闭环MIMO由于基站依赖终端的反馈信息进行预编码，对环境要求较高，但由于拥有PMI/RI的反馈调整，其数据可靠性较强;对于开环MIMO，其健壮性较强，对SNR要求和信道相关性要求不如闭环MIMO严格。

图1 MIMO空分复用的2种实现形式：开环与闭环

2.2 波束赋形

波束赋形也叫波束成型或智能天线，在3G技术中已经得到广泛应用。通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加，在其他方向形成相位抵消，从而实现信号的增益。系统发射端能够获取信道状态信息时(例如TDD系统)，系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位(数据相同)，以保证在目标方向达到最大的增益;当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形的方法实现多用户分集。

波束赋形技术在能够获取信道状态信息时，可以实现较好的信号增益及干扰抑制使小区边缘性能提升。波束赋形技术不适合密集城区、室内覆盖等环境，由于反射的原因，接收端会收到太多路径的信号，导致相位叠加的效果不佳。

图2 波束赋形的天线阵列原理示意

现实中，中国移动采用的TDD-LTE上下行是用同一个频率，因此可以通过单边的信道估计来获取上行和下行的信道情况，所以，TDD网络非常适合波束赋形(因为波束赋形功能的前提是对信道有个良好的估计)，可以提高一定的信噪比，在网络边缘的覆盖能力更强。而FDD-LTE上下行是不同的频段，因此不具备这种优势，一般不采用波束赋形。

2.3 双流波束赋形=波束赋形+空分复用

波束赋形(智能天线)是否能实现明显增益，受到无线环境的影响。无线环境可以分为以下2种：

1)直视信道(LOS，line of sight)具有贫散射环境，更有利于智能天线的使用：天线阵元间相关性高、主径明显、能量集中、赋形算法简单、受信道估计精度影响小，智能天线易获得增益。

2)非直视信道(NLOS，none line of sight)具有富散射环境，智能天线较难获得明显增益：天线阵元相关性低、主径不明显、能量分散、赋形算法较复杂，受信道估计精度影响大，更适合使用MIMO空间复用。

图3 双流波束赋形天线阵列原理

为了协调波束赋形与空分复用的矛盾，双流波束赋形正是将波束赋形和空分复用结合起来，扬长避短的一种方案。它在一副天线阵元上叠加2套赋形权重，形成2个波束，在终端角度看来，形成2个等效的“虚拟天线”。2个虚拟天线上可以一个用户终端传送不同的数据，即空分复用;也可以给2个不同的用户终端传送数据，也就是空分多址。

为了实现双流波束赋形，中国移动的TDD-LTE基站一般具备8天线，如下图红色虚线框中所示。为了实现双流波束赋形，8根天线分为两组。

● 两组天线之间的极化方式为垂直交叉极化：红色组天线+45°极化，蓝色组天线-45°极化。这样就使组间的天线相关度低，从而易于实现空分复用。

● 每组天线内，天线大约在空间上间隔四分之一波长。这样就使天线阵列在组内可以实现高度的相关性，从而易于实现波束赋形。

图4 TDD-LTE八天线波束赋形天线阵列原理(上)和实物(下)

3 MIMO在LTE中的应用现状

三大运营商采用的LTE双工方式不同，中国移动确定采用TDD-LTE。大规模外场测试中无线通信环境边界条件复杂，使用不同的传输技术以适配不同的应用场景尤为重要。如果选择不当，不仅不能达到网络性能最优，而且会造成网络干扰加大等恶劣影响。MIMO的几种模式分别适用于不同的场景，按照切换的边界条件来分，从离城市中心到郊区以及小区边缘，分别可以用如下传输方式布网：离基站比较近、信号较强、靠近市中心、多径衰落较强的城市中心地区，可以使用闭环MIMO，由于有闭环的RI/PMI反馈，其速率稳定、误码率较低，可以获得多天线增益，但是对边界条件要求比较严格;如果环境较为恶劣，SNR较低，信道相关性稍低，可以使用开环MIMO方式;在城市郊区较为开阔、信道相关性较高的郊区地区，依照速度的不同，选择波束赋形，波束赋形技术更可以利用TDLTE系统中上/下行信道互易性，针对单个用户动态地进行波束赋形，从而有效提高传输速率和增强小区边缘的覆盖性能。以上各种模式均可切换成发射分集模式，发射分集模式的健壮性强，对速度、信道环境与SNR要求均不高，但是无法产生多天线速率增益，只可以享受由于多天线并行传输带来的分集增益。

如果运营商使用FDD-LTE，根据前文所述，更多会采用4×4或8×8MIMO空分复用。

图5 TDD-LTE小区理论上最佳的MIMO应用场景