LTE/LTE-A MIMO原理與應(yīng)用

　　1 概述

　　天線技術(shù)和信號(hào) 處理技術(shù)的發(fā)展，也讓越來(lái)越多的人意識(shí)到通過(guò)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(guò)采用空時(shí)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(lái)“熱門(mén)”的無(wú)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(shì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，3GPP于2008年4月正式開(kāi)始了LTE演進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)——LTE-Advanced(以下簡(jiǎn)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(chǎng)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(guò)提升信噪比來(lái)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(huì)提升，但提升的不明顯了，畫(huà)成曲線的話，其走勢(shì)類似對(duì)數(shù)曲線。

　　C = BLOG2 +(1+ S/N)(1)

　　可見(jiàn)，當(dāng)信噪比很差的時(shí)候，通過(guò)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(hào)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(cuò)的情況下，再通過(guò)提高信噪比來(lái)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(yíng)商也會(huì)讓MIMO空分復(fù)用模式登場(chǎng)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(guò)空間這個(gè)新的維度來(lái)增加速率了，也就是說(shuō)，在離基站信號(hào)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(lái)提升信噪比更適合。下面來(lái)詳細(xì)看看LTE-A MIMO技術(shù)的分類和應(yīng)用場(chǎng)景。

　　2.1 空分復(fù)用

　　無(wú)線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射，使得多個(gè)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(wú)線信號(hào)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(gè)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(kāi)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(zhǎng))，從而保證足夠多的不相關(guān)的多徑信號(hào);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(zhǎng)的0.5~1倍)，現(xiàn)在不用擔(dān)心將來(lái)的手機(jī)長(zhǎng)著像牛角一樣分叉的天線了。

　　對(duì)于適用于密集城區(qū)地區(qū)的MIMO應(yīng)用，可以用開(kāi)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(duì)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(duì)于開(kāi)環(huán)MIMO，其健壯性較強(qiáng)，對(duì)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(kāi)環(huán)與閉環(huán)