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(shí)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(shí)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(shí)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(dú)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(shí)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(shí)現(xiàn)形式：開環(huán)與閉環(huán)