LTE中MIMO技术面临的挑战及其测试

随着3GPPLTE技术标准化接近完成，可以说，高速无线接入离我们的生活已经越来越近了。标准化的成熟对整个LTE产业是一个巨大的促进，对各个厂家产品开发的一致性上有了很好的保障。但还应该看到，标准的制定很大程度上基于仿真和以前产品的经验，因此标准中存在非常多的问题需要解决和进一步细化。在后期的工作中还要产业界付出极大的努力来确保整个产业的平稳发展。

面对复杂的无线环境和诸多新技术，设备的实现是否能够发挥LTE标准的预期性能，还是一个未知数。LTE标准定义了比3G标准更强的能力，但同时也对设备研发带来了更大挑战。正交频分复用(OFDM)和MIMO系统给LTE系统带来了空前充裕的四维空口资源———频域、时域、码域和空域，并在4个纬度上均可进行灵活地调度和自适应，使LTE系统蕴含了更强大的技术潜力。但能不能用好这些资源，管好这个灵活的系统，是一个需要解决的问题。

LTE标准巨大的灵活性，客观上造成了标准对设备开发质量的保证程度比3G低，LTE设备的优化更多地依赖于厂商的研发能力。LTE系统的灵活性更多地依赖MAC层的实现，因此在LTE标准中，单纯物理层技术对设备能力的保障程度较低，系统的性能更依赖于MAC层调度和资源分配算法的优化。比如，3G系统就像个傻瓜相机，即使不会照相的人也能照出比较满意的照片；而LTE系统却像个专业相机，会照相的人会照出比傻瓜机好得多的效果，但不会用的人照出的照片可能还不如傻瓜机。

中国和国际上的主要移动通信厂商均已经开发出TD-LTE或FDDLTE样机，并基于这些样机进行了一系列概念验证测试。某些比较激进的欧美运营商已经和一些开发进度较快的设备厂商签订了预商用网络的合同，准备部署城市级别的LTE试验网络。

在大规模商用之前，需要大量的测试实验工作。一方面要进一步验证技术的可行性，另一方面要在实际场景中验证各种技术的实用性，找出一套或若干套配置，来发挥LTE强大的功能。在若干急需解决的问题中，MIMO是LTE技术中最核心的技术之一。

1、LTE中的MIMO

技术LTE系统采用了同一框架的自适应MIMO传输，可以根据信道条件和需要自适应在空间分集、空分复用、波束赋型、空间复用和单天线发送各种模式之间转换，从而可以最大限度地利用实际信道的容量。相对双小区HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天线MIMO，LTE的MIMO传输最大可以支持4天线发送。如图1所示。

图1 LTE 相对3G 在频域和空域进一步挖掘了信道资源

LTE系统是迄今为止最全面地采用了MIMO技术的无线通信系统，与IEEE802.16e只主要采用了空间分集技术相比，LTE采用了各种MIMO传输模式。

1.1、下行MIMO模式

（1）发射分集：通过在多个天线上重复发送一个数据流的不同版本，获得分集增益，用来改善小区的覆盖，适用于大间距的天线阵。
（2）空间复用：通过在多个天线上并行发送多个数据流，获得复用增益，用来提高峰值速率和小区吞吐量。该模式多流数据的发送有赖于空间信道的特性，高相关性信道下，如果采用多流并行传输，会造成比较严重的数据流与数据流之间的干扰，从而降低系统性能。
（3）波束赋型：通过在多个天线阵元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束，获得赋形增益，用来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵。该模式主要针对TDDLTE系统。在TDD系统中，基站可以利用信道的互易性获得部分下行信道信息，基站可根据这部分信息进行更加精确的发送控制。波束赋型就是这一应用的具体体现。波束赋型技术是3G的智能天线技术的扩展，波束赋型技术的应用使得LTE可使用的物理天线数上升到8根。
（4）空间多址：和空间复用机理相似，只是多个并行数据流用于多个用户，而非单个用户，用来提高系统用户容量。空间多址技术有赖于用户数量和分布，对于城市热点覆盖和接入用户比较多的情景，该模式有很大的实施空间。对比单用户空间复用和空间多址两种模式，可以发现，两种模式都可以使用多个数据流同时发送，但是两种模式又有所区别。单用户的多数据流实现受信道相关性和信道质量限制严重，只有在天线间相关度比较低，信道质量很好的条件下，空间复用才会使用多数据流传输。由于手机端接收天线距离较小，天线间信道相关度较大，从而实现两流的场景比较受限，对系统容量提升不是十分明显。反观空间多址多用户MIMO模式，每个用户反馈一个流的信道质量信息和预编码矩阵。在基站侧，通过MAC的调度算法来完成用户的配对及速率匹配算法。每次都会应用多流传输，在用户数量比较多、用户间信道相关度比较低的情景下，会有较大的性能提升。

1.2、上行MIMO