1 概述

天線技術和信號處理技術的發展，也讓越來越多的人意識到通過多天線技術實現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）技術應運而生，它通過采用空時編碼（STC），利用多天線陣列實現空間分集、復用或者波束賦形，在有限的帶寬內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”的無線通信系統所必不可少的關鍵技術之一。

3GPP Release8版本中定義的LTE采用了MIMO技術，其下行的峰值速率最高可達300 Mbp（4×4 MIMO）和150 Mbps（2×2 MIMO）。為了保持3GPP標準的技術優勢和市場競爭優勢，3GPP于2008年4月正式開始了LTE演進標準——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。

2 LTE-A MIMO應用場景

回顧香農定理，信道極限速率與可用帶寬及信噪比有關系。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，其走勢類似對數曲線。

C = BLOG2 +（1+ S/N）（1）

可見，當信噪比很差的時候，通過提升信噪比可使速率明顯提升，因此應用傳輸分集和波束賦形技術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。而當信噪比已經不錯的情況下，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，運營商也會讓MIMO空分復用模式登場的原因。即在現實中，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，在離基站信號不遠的條件下適合MIMO的空分復用模式。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。下面來詳細看看LTE-A MIMO技術的分類和應用場景。

2.1 空分復用

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

現實中MIMO通信網絡的部署也能從上述分析中得到啟示：在一個典型的小區蜂窩網中，基站往往架設在較高的地方，四面開闊，極少有反射體和遮擋物，所以為了保證MIMO系統享有較好的性能，通常在基站側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的多徑信號；而在用戶側情況就不同了。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），現在不用擔心將來的手機長著像牛角一樣分叉的天線了。

對于適用于密集城區地區的MIMO應用，可以用開環MIMO和閉環MIMO 2種MIMO模式選擇，如圖所示。1其中閉環MIMO由于基站依賴終端的反饋信息進行預編碼，對環境要求較高，但由于擁有PMI/RI的反饋調整，其數據可靠性較強；對于開環MIMO，其健壯性較強，對SNR要求和信道相關性要求不如閉環MIMO嚴格。

圖1 MIMO空分復用的2種實現形式：開環與閉環

2.2 波束賦形

波束賦形也叫波束成型或智能天線，在3G技術中已經得到廣泛應用。通過對多根天線輸出信號的相關性進行相位加權，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，從而實現信號的增益。系統發射端能夠獲取信道狀態信息時（例如TDD系統），系統會根據信道狀態調整每根天線發射信號的相位（數據相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統發射端不知道信道狀態時，可以采用隨機波束成形的方法實現多用戶分集。

波束賦形技術在能夠獲取信道狀態信息時，可以實現較好的信號增益及干擾抑制使小區邊緣性能提升。波束賦形技術不適合密集城區、室內覆蓋等環境，由于反射的原因，接收端會收到太多路徑的信號，導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網絡非常適合波束賦形（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，在網絡邊緣的覆蓋能力更強。而FDD-LTE上下行是不同的頻段，因此不具備這種優勢，一般不采用波束賦形。

2.3 雙流波束賦形=波束賦形+空分復用

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

1）直視信道（LOS，line of sight）具有貧散射環境，更有利于智能天線的使用：天線陣元間相關性高、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）具有富散射環境，智能天線較難獲得明顯增益：天線陣元相關性低、主徑不明顯、能量分散、賦形算法較復雜，受信道估計精度影響大，更適合使用MIMO空間復用。

圖3 雙流波束賦形天線陣列原理

為了協調波束賦形與空分復用的矛盾，雙流波束賦形正是將波束賦形和空分復用結合起來，揚長避短的一種方案。它在一副天線陣元上疊加2套賦形權重，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據，即空分復用；也可以給2個不同的用戶終端傳送數據，也就是空分多址。

為了實現雙流波束賦形，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，藍色組天線-45°極化。這樣就使組間的天線相關度低，從而易于實現空分復用。

● 每組天線內，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可以實現高度的相關性，從而易于實現波束賦形。

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中的應用現狀

三大運營商采用的LTE雙工方式不同，中國移動確定采用TDD-LTE。大規模外場測試中無線通信環境邊界條件復雜，使用不同的傳輸技術以適配不同的應用場景尤為重要。如果選擇不當，不僅不能達到網絡性能最優，而且會造成網絡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以及小區邊緣，分別可以用如下傳輸方式布網：離基站比較近、信號較強、靠近市中心、多徑衰落較強的城市中心地區，可以使用閉環MIMO，由于有閉環的RI/PMI反饋，其速率穩定、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格；如果環境較為惡劣，SNR較低，信道相關性稍低，可以使用開環MIMO方式；在城市郊區較為開闊、信道相關性較高的郊區地區，依照速度的不同，選擇波束賦形，波束賦形技術更可以利用TDLTE系統中上/下行信道互易性，針對單個用戶動態地進行波束賦形，從而有效提高傳輸速率和增強小區邊緣的覆蓋性能。以上各種模式均可切換成發射分集模式，發射分集模式的健壯性強，對速度、信道環境與SNR要求均不高，但是無法產生多天線速率增益，只可以享受由于多天線并行傳輸帶來的分集增益。

如果運營商使用FDD-LTE，根據前文所述，更多會采用4×4或8×8MIMO空分復用。

圖5 TDD-LTE小區理論上最佳的MIMO應用場景

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