LTE中MIMO技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其測試

面對復(fù)雜的無線環(huán)境和諸多新技術(shù)，設(shè)備的實(shí)現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期性能，還是一個未知數(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)定義了比3G標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)的能力，但同時也對設(shè)備研發(fā)帶來了更大挑戰(zhàn)。正交頻分復(fù)用(OFDM)和MIMO系統(tǒng)給LTE系統(tǒng)帶來了空前充裕的四維空口資源———頻域、時域、碼域和空域，并在4個緯度上均可進(jìn)行靈活地調(diào)度和自適應(yīng)，使LTE系統(tǒng)蘊(yùn)含了更強(qiáng)大的技術(shù)潛力。但能不能用好這些資源，管好這個靈活的系統(tǒng)，是一個需要解決的問題。

LTE標(biāo)準(zhǔn)巨大的靈活性，客觀上造成了標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)備開發(fā)質(zhì)量的保證程度比3G低，LTE設(shè)備的優(yōu)化更多地依賴于廠商的研發(fā)能力。LTE系統(tǒng)的靈活性更多地依賴MAC層的實(shí)現(xiàn)，因此在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，單純物理層技術(shù)對設(shè)備能力的保障程度較低，系統(tǒng)的性能更依賴于MAC層調(diào)度和資源分配算法的優(yōu)化。比如，3G系統(tǒng)就像個傻瓜相機(jī)，即使不會照相的人也能照出比較滿意的照片；而LTE系統(tǒng)卻像個專業(yè)相機(jī)，會照相的人會照出比傻瓜機(jī)好得多的效果，但不會用的人照出的照片可能還不如傻瓜機(jī)。

中國和國際上的主要移動通信廠商均已經(jīng)開發(fā)出TD-LTE或FDDLTE樣機(jī)，并基于這些樣機(jī)進(jìn)行了一系列概念驗(yàn)證測試。某些比較激進(jìn)的歐美運(yùn)營商已經(jīng)和一些開發(fā)進(jìn)度較快的設(shè)備廠商簽訂了預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)的合同，準(zhǔn)備部署城市級別的LTE試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

在大規(guī)模商用之前，需要大量的測試實(shí)驗(yàn)工作。一方面要進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)的可行性，另一方面要在實(shí)際場景中驗(yàn)證各種技術(shù)的實(shí)用性，找出一套或若干套配置，來發(fā)揮LTE強(qiáng)大的功能。在若干急需解決的問題中，MIMO是LTE技術(shù)中最核心的技術(shù)之一。

1、LTE中的MIMO

技術(shù)LTE系統(tǒng)采用了同一框架的自適應(yīng)MIMO傳輸，可以根據(jù)信道條件和需要自適應(yīng)在空間分集、空分復(fù)用、波束賦型、空間復(fù)用和單天線發(fā)送各種模式之間轉(zhuǎn)換，從而可以最大限度地利用實(shí)際信道的容量。相對雙小區(qū)HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天線MIMO，LTE的MIMO傳輸最大可以支持4天線發(fā)送。如圖1所示。

圖1 LTE 相對3G 在頻域和空域進(jìn)一步挖掘了信道資源

LTE系統(tǒng)是迄今為止最全面地采用了MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，與IEEE802.16e只主要采用了空間分集技術(shù)相比，LTE采用了各種MIMO傳輸模式。

1.1、下行MIMO模式

（1）發(fā)射分集：通過在多個天線上重復(fù)發(fā)送一個數(shù)據(jù)流的不同版本，獲得分集增益，用來改善小區(qū)的覆蓋，適用于大間距的天線陣。
（2）空間復(fù)用：通過在多個天線上并行發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，獲得復(fù)用增益，用來提高峰值速率和小區(qū)吞吐量。該模式多流數(shù)據(jù)的發(fā)送有賴于空間信道的特性，高相關(guān)性信道下，如果采用多流并行傳輸，會造成比較嚴(yán)重的數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)流之間的干擾，從而降低系統(tǒng)性能。
（3）波束賦型：通過在多個天線陣元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區(qū)覆蓋，適用于小間距的天線陣。該模式主要針對TDDLTE系統(tǒng)。在TDD系統(tǒng)中，基站可以利用信道的互易性獲得部分下行信道信息，基站可根據(jù)這部分信息進(jìn)行更加精確的發(fā)送控制。波束賦型就是這一應(yīng)用的具體體現(xiàn)。波束賦型技術(shù)是3G的智能天線技術(shù)的擴(kuò)展，波束賦型技術(shù)的應(yīng)用使得LTE可使用的物理天線數(shù)上升到8根。
（4）空間多址：和空間復(fù)用機(jī)理相似，只是多個并行數(shù)據(jù)流用于多個用戶，而非單個用戶，用來提高系統(tǒng)用戶容量。空間多址技術(shù)有賴于用戶數(shù)量和分布，對于城市熱點(diǎn)覆蓋和接入用戶比較多的情景，該模式有很大的實(shí)施空間。對比單用戶空間復(fù)用和空間多址兩種模式，可以發(fā)現(xiàn)，兩種模式都可以使用多個數(shù)據(jù)流同時發(fā)送，但是兩種模式又有所區(qū)別。單用戶的多數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)受信道相關(guān)性和信道質(zhì)量限制嚴(yán)重，只有在天線間相關(guān)度比較低，信道質(zhì)量很好的條件下，空間復(fù)用才會使用多數(shù)據(jù)流傳輸。由于手機(jī)端接收天線距離較小，天線間信道相關(guān)度較大，從而實(shí)現(xiàn)兩流的場景比較受限，對系統(tǒng)容量提升不是十分明顯。反觀空間多址多用戶MIMO模式，每個用戶反饋一個流的信道質(zhì)量信息和預(yù)編碼矩陣。在基站側(cè)，通過MAC的調(diào)度算法來完成用戶的配對及速率匹配算法。每次都會應(yīng)用多流傳輸，在用戶數(shù)量比較多、用戶間信道相關(guān)度比較低的情景下，會有較大的性能提升。

1.2、上行MIMO模式

空間多址：上行由于受到終端發(fā)送天線和發(fā)送功放的數(shù)量限制，只支持空分多址模式。

2、LTE中MIMO技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)

面對如此多的MIMO模式，如何很好地應(yīng)用，可以說是一個巨大的挑戰(zhàn)。

2.1、反向控制信息受限

基站和手機(jī)要實(shí)現(xiàn)各種模式，需要基站與手機(jī)端的大量控制信息交換，而控制信息的質(zhì)量直接影響到MIMO實(shí)現(xiàn)的效果。在下行天線模式中，所有MIMO技術(shù)均需要信道質(zhì)量指示（CQI），空間復(fù)用和空間多址技術(shù)還需要信道狀態(tài)信息（CSI）來進(jìn)行基站端發(fā)送預(yù)編碼的控制。空間復(fù)用和空間多址技術(shù)被認(rèn)為是MIMO中頻譜利用率最高、最能體現(xiàn)多天線特性的技術(shù)。這兩種模式的應(yīng)用很大程度上要依賴信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性。信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性體現(xiàn)在基站端精確獲得手機(jī)接收時刻的信道狀況。信道狀態(tài)信息越準(zhǔn)確，基站端的預(yù)編碼控制就越精確。對于FDDLTE系統(tǒng)而言，三項(xiàng)因素制約了基站端的信道信息精確程度：第一是手機(jī)的處理能力，受參考信號設(shè)計(jì)和手機(jī)端算法影響，信道估計(jì)的準(zhǔn)確度十分有限。第二，受反方向信道限制，基站端收到的信道狀態(tài)信息總是手機(jī)端信道狀態(tài)信息的量化版本。第三，由于反向信道傳輸延時，基站端信道狀態(tài)信息是手機(jī)端的延時版本。以上三點(diǎn)對空間復(fù)用和空間多址技術(shù)的實(shí)現(xiàn)效果影響很大，盡管設(shè)計(jì)過程中對反饋碼本選擇和實(shí)現(xiàn)算法上進(jìn)行了大量研究，最終的實(shí)際效果還需要大量的驗(yàn)證工作。

對于TDDLTE系統(tǒng)，從理論上說，基站端在一定程度上可以利用信道的互易性，從上行信道獲得部分下行信道信息，但是信道互易性能帶來的好處在實(shí)際中的作用仍然不明朗，或者說對于TDDLTE系統(tǒng)，基于信道互易性的波束賦型技術(shù)能否取得預(yù)期的效果仍有待實(shí)際驗(yàn)證。

2.2、應(yīng)用存在巨大不確定性

由于引入了空間和頻率維度，LTE系統(tǒng)看似引入更多模式以匹配復(fù)雜的無線環(huán)境，但實(shí)際上也加大了對無線環(huán)境復(fù)雜性的適應(yīng)難度。與3G系統(tǒng)相比，LTE系統(tǒng)是寬帶系統(tǒng)，在頻率域的接收算法上遇到了更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的最大信噪比合并（MRC）等窄帶接收機(jī)算法不能滿足要求，需要更加復(fù)雜的接收算法。

對于空間維度，LTE系統(tǒng)每個頻段上的信道特性不同，在每個頻帶上要分別進(jìn)行天線模式的控制時，要考慮信道質(zhì)量好壞，也要考慮信道的相關(guān)性，還要綜合終端移動速度和信道變化等各項(xiàng)因素。有時為了減輕反向傳輸壓力，LTE系統(tǒng)還要采用寬帶控制信號傳輸，使得MIMO效果也有所折扣。因此有很多人認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，閉環(huán)的空間復(fù)用技術(shù)相對于開環(huán)的發(fā)送方式增益不大。

對于空間多址而言，理論上可以利用用戶間信道的不相關(guān)性形成更好的多流傳輸，從而進(jìn)一步大幅提高系統(tǒng)容量。但是，受反向信道限制，每個用戶反饋的是部分信道信息。標(biāo)準(zhǔn)并沒有對多用戶的MIMO調(diào)度算法本身作出規(guī)定，如果反饋不精確，MAC層匹配不好，會發(fā)生比較大的用戶數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)流間干擾，反而使性能大幅下降。由此可以看出，對相對復(fù)雜的無線環(huán)境，LTE系統(tǒng)想做到很好的匹配還有非常多的工作要做。

2.3、MIMO模式切換問題

LTE系統(tǒng)中有7種天線模式，模式之間及每個模式內(nèi)部都有發(fā)送方式的切換問題。面對這么多種模式，標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定每種模式的應(yīng)用場景與切換方式，模式間與模式內(nèi)的切換由上層信令決定，這也意味著MAC層的控制將直接對系統(tǒng)性能起決定性影響。對于基站而言，由于多天線產(chǎn)品的多樣化，如垂直極化天線、交叉極化天線等的應(yīng)用，使得信道更加復(fù)雜，每種天線形態(tài)對應(yīng)的天線模式更是不盡相同。換句話說，這給廠家留下巨大的靈活度。對于基站，天線發(fā)送模式要根據(jù)信道變化而變，對于FDDLTE系統(tǒng)，基站端信道信息的獲得主要通過手機(jī)端反饋獲得，手機(jī)如何反饋如此豐富的信道信息始終是個疑問。如果系統(tǒng)不能很好地解決這個問題，LTE的性能發(fā)揮將受到很大影響。對于TDDLTE系統(tǒng)，波束賦型技術(shù)的實(shí)際效果還有待驗(yàn)證。但是在整個產(chǎn)業(yè)的初期階段，由于MIMO靈活性大帶來的不確定因素過多，給各廠家的開發(fā)也帶來了不小的困難。產(chǎn)業(yè)的成熟很大程度上需要靠大量的實(shí)驗(yàn)不斷地給系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)和方向。下面將介紹一些針對MIMO的測試技術(shù)。

3、MIMO技術(shù)測試

對整個LTE系統(tǒng)的測試一般分為室內(nèi)測試與室外測試兩部分。室內(nèi)測試階段主要關(guān)注基站和手機(jī)一些基本功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)靜態(tài)性能，如最大傳輸速率、衰落信道下鏈路性能、多天線和頻域調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)、隨機(jī)接入功能等。室內(nèi)測試是對設(shè)備的基本處理能力的檢驗(yàn)，也是對進(jìn)行外場測試的準(zhǔn)備。室外測試階段將驗(yàn)證在外場實(shí)際的復(fù)雜無線環(huán)境下LTE系統(tǒng)的性能。

3.1、室內(nèi)測試

室內(nèi)測試需要基站廠家準(zhǔn)備測試基站（eNB）、測試終端（UE）、測試用儀表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境。測試儀表主要有頻譜分析儀和信道模擬儀。頻譜分析儀一般用作輔助測試儀表，可以用來監(jiān)測信號發(fā)送頻段、調(diào)制方式等信息，十分便捷。信道模擬儀用來模擬實(shí)際的信道環(huán)境，由于是測試MIMO性能，因此信道模擬儀需要支持多通道以模擬多天線傳輸。此外，測試中還需測試用的相關(guān)檢測軟件，如吞吐量檢測軟件。

MIMO的測試分為下行與上行，上行主要是單發(fā)多收（SIMO）。圖2與圖3分別給出MIMO下行與上行的測試圖。下行的MIMO增益主要體現(xiàn)在不同的信道條件下不同MIMO方案的系統(tǒng)吞吐量。對于MIMO技術(shù)的測試，需要信道模擬儀制造不同的信道衰落條件。這些條件包括：
·不同的信道類型。信道類型一般包括加性白高斯噪聲（AWGN）、步速3km/h低速信道、車速30km/h和車速120km/h等。
·不同的信道相關(guān)性。信道相關(guān)性分為高相關(guān)性、中相關(guān)性與低相關(guān)性。
·不同的信道信噪比（SNR）。

室內(nèi)測試雖然可以對MIMO性能進(jìn)行類似于仿真似的初步驗(yàn)證，但是遠(yuǎn)不能模擬復(fù)雜室外環(huán)境的影響。從圖2可以看出，UE到eNB的連接采用直連方式。采用直連的原因在于關(guān)注下行性能，看信道的變化對下行容量的影響。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，反向的UE到eNB的信道條件與前向相比更加惡劣。這既受UE的發(fā)射功率影響，也受上行鏈路諸如上行資源分配的影響。此外，信道模擬儀雖然可以部分模擬信道相關(guān)性和時變性，但是只能涵蓋有限的應(yīng)用場景，甚至只能代表部分理論結(jié)果，與實(shí)際場景相差依然較遠(yuǎn)。

在室內(nèi)測試階段還有兩個難點(diǎn)：一個是波束賦型的測試，另一個是空間多址的測試?，F(xiàn)階段的信道模擬儀表多為2入2出，對于波束賦型的測試需要信道模擬儀至少模擬4×2出甚至8×2出的信道，這對測試儀器本身也是一個巨大挑戰(zhàn)。而且對于TDDLTE，由于要利用信道的互易性得到波束賦型所需的部分信道信息，這意味著上行也要連接信道模擬儀，但是即使上行信道也引入信道模擬儀，如何模擬信道互易性是另一個需要解決的問題。對于空間多址的測試需要基站同時連接多部終端，如果每部終端都需要連接不同的信道模擬儀，對測試設(shè)備數(shù)量的要求將大大提高，在LTE產(chǎn)業(yè)初期，這也是很難做到的。

3.2、室外測試

室外對于LTE 中MIMO 技術(shù)的測試仍然是一個技術(shù)難點(diǎn)。主要有以下原因：

第一，外場無線環(huán)境復(fù)雜，不可控性強(qiáng)。室外測試中的信道受實(shí)際各因素影響，變化方式和組合多種多樣，難以通過人為方式改變。如在實(shí)際道路中，車速一項(xiàng)因素就受測試所在場地所限，所謂的勻速行駛基本不存在，而是根據(jù)不同的路況實(shí)際決定。

第二，與室內(nèi)階段相比，室外階段的信道可控制程度相差很遠(yuǎn)。我們可以通過控制與基站距離和遮擋來粗略控制信道的信號與干擾和噪聲比（SINR），但是不可能精確掌控信道間的相關(guān)性。在信道相關(guān)性這一點(diǎn)上，我們可以說是無能為力，因?yàn)橐坏┙邮仗炀€的距離給定，信道的相關(guān)性變化調(diào)節(jié)幾乎是不可能的。這一點(diǎn)對于MIMO測試可以說是相當(dāng)不利。由于信道相關(guān)性的不可控，如果進(jìn)行固定天線模式的測試，并若以信道吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)對系統(tǒng)性能進(jìn)行測試，信道相關(guān)性對MIMO性能的影響將很難評估。

第三，對MIMO 性能如何衡量。室外測試中，測試結(jié)果受多項(xiàng)因素影響。如果僅以吞吐量等簡單性能指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，難以對MIMO 技術(shù)做全面評價。我們?nèi)绾谓⒁惶讓IMO 技術(shù)全面的實(shí)際評價體系仍值得探討。

第四，測試終端限制。對于整個產(chǎn)業(yè)而言，終端的限制幾乎伴隨了整個無線通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，終端的發(fā)展往往滯后于基站的發(fā)展。終端發(fā)展的落后使得基站成熟也受到很大影響。對于MIMO 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，終端性能受限，將對MIMO 技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，如空間復(fù)用模式中，如果SINR 不達(dá)到一定程度，多流的應(yīng)用將難以實(shí)現(xiàn)。