LTE中MIMO技術(shù)面臨的挑戰及其測試

面對復雜的無(wú)線(xiàn)環(huán)境和諸多新技術(shù)，設備的實(shí)現是否能夠發(fā)揮LTE標準的預期性能，還是一個(gè)未知數。LTE標準定義了比3G標準更強的能力，但同時(shí)也對設備研發(fā)帶來(lái)了更大挑戰。正交頻分復用(OFDM)和MIMO系統給LTE系統帶來(lái)了空前充裕的四維空口資源———頻域、時(shí)域、碼域和空域，并在4個(gè)緯度上均可進(jìn)行靈活地調度和自適應，使LTE系統蘊含了更強大的技術(shù)潛力。但能不能用好這些資源，管好這個(gè)靈活的系統，是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

LTE標準巨大的靈活性，客觀(guān)上造成了標準對設備開(kāi)發(fā)質(zhì)量的保證程度比3G低，LTE設備的優(yōu)化更多地依賴(lài)于廠(chǎng)商的研發(fā)能力。LTE系統的靈活性更多地依賴(lài)MAC層的實(shí)現，因此在LTE標準中，單純物理層技術(shù)對設備能力的保障程度較低，系統的性能更依賴(lài)于MAC層調度和資源分配算法的優(yōu)化。比如，3G系統就像個(gè)傻瓜相機，即使不會(huì )照相的人也能照出比較滿(mǎn)意的照片；而LTE系統卻像個(gè)專(zhuān)業(yè)相機，會(huì )照相的人會(huì )照出比傻瓜機好得多的效果，但不會(huì )用的人照出的照片可能還不如傻瓜機。

中國和國際上的主要移動(dòng)通信廠(chǎng)商均已經(jīng)開(kāi)發(fā)出TD-LTE或FDDLTE樣機，并基于這些樣機進(jìn)行了一系列概念驗證測試。某些比較激進(jìn)的歐美運營(yíng)商已經(jīng)和一些開(kāi)發(fā)進(jìn)度較快的設備廠(chǎng)商簽訂了預商用網(wǎng)絡(luò )的合同，準備部署城市級別的LTE試驗網(wǎng)絡(luò )。

在大規模商用之前，需要大量的測試實(shí)驗工作。一方面要進(jìn)一步驗證技術(shù)的可行性，另一方面要在實(shí)際場(chǎng)景中驗證各種技術(shù)的實(shí)用性，找出一套或若干套配置，來(lái)發(fā)揮LTE強大的功能。在若干急需解決的問(wèn)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系統采用了同一框架的自適應MIMO傳輸，可以根據信道條件和需要自適應在空間分集、空分復用、波束賦型、空間復用和單天線(xiàn)發(fā)送各種模式之間轉換，從而可以最大限度地利用實(shí)際信道的容量。相對雙小區HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天線(xiàn)MIMO，LTE的MIMO傳輸最大可以支持4天線(xiàn)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系統是迄今為止最全面地采用了MIMO技術(shù)的無(wú)線(xiàn)通信系統，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(guò)在多個(gè)天線(xiàn)上重復發(fā)送一個(gè)數據流的不同版本，獲得分集增益，用來(lái)改善小區的覆蓋，適用于大間距的天線(xiàn)陣。
（2）空間復用：通過(guò)在多個(gè)天線(xiàn)上并行發(fā)送多個(gè)數據流，獲得復用增益，用來(lái)提高峰值速率和小區吞吐量。該模式多流數據的發(fā)送有賴(lài)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(huì )造成比較嚴重的數據流與數據流之間的干擾，從而降低系統性能。
（3）波束賦型：通過(guò)在多個(gè)天線(xiàn)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(lái)改善小區覆蓋，適用于小間距的天線(xiàn)陣。該模式主要針對TDDLTE系統。在TDD系統中，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用的具體體現。波束賦型技術(shù)是3G的智能天線(xiàn)技術(shù)的擴展，波束賦型技術(shù)的應用使得LTE可使用的物理天線(xiàn)數上升到8根。
（4）空間多址：和空間復用機理相似，只是多個(gè)并行數據流用于多個(gè)用戶(hù)，而非單個(gè)用戶(hù)，用來(lái)提高系統用戶(hù)容量?？臻g多址技術(shù)有賴(lài)于用戶(hù)數量和分布，對于城市熱點(diǎn)覆蓋和接入用戶(hù)比較多的情景，該模式有很大的實(shí)施空間。對比單用戶(hù)空間復用和空間多址兩種模式，可以發(fā)現，兩種模式都可以使用多個(gè)數據流同時(shí)發(fā)送，但是兩種模式又有所區別。單用戶(hù)的多數據流實(shí)現受信道相關(guān)性和信道質(zhì)量限制嚴重，只有在天線(xiàn)間相關(guān)度比較低，信道質(zhì)量很好的條件下，空間復用才會(huì )使用多數據流傳輸。由于手機端接收天線(xiàn)距離較小，天線(xiàn)間信道相關(guān)度較大，從而實(shí)現兩流的場(chǎng)景比較受限，對系統容量提升不是十分明顯。反觀(guān)空間多址多用戶(hù)MIMO模式，每個(gè)用戶(hù)反饋一個(gè)流的信道質(zhì)量信息和預編碼矩陣。在基站側，通過(guò)MAC的調度算法來(lái)完成用戶(hù)的配對及速率匹配算法。每次都會(huì )應用多流傳輸，在用戶(hù)數量比較多、用戶(hù)間信道相關(guān)度比較低的情景下，會(huì )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(xiàn)和發(fā)送功放的數量限制，只支持空分多址模式。

2、LTE中MIMO技術(shù)遇到的挑戰

面對如此多的MIMO模式，如何很好地應用，可以說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰。

2.1、反向控制信息受限

基站和手機要實(shí)現各種模式，需要基站與手機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)現的效果。在下行天線(xiàn)模式中，所有MIMO技術(shù)均需要信道質(zhì)量指示（CQI），空間復用和空間多址技術(shù)還需要信道狀態(tài)信息（CSI）來(lái)進(jìn)行基站端發(fā)送預編碼的控制?？臻g復用和空間多址技術(shù)被認為是MIMO中頻譜利用率最高、最能體現多天線(xiàn)特性的技術(shù)。這兩種模式的應用很大程度上要依賴(lài)信道狀態(tài)信息的準確性。信道狀態(tài)信息的準確性體現在基站端精確獲得手機接收時(shí)刻的信道狀況。信道狀態(tài)信息越準確，基站端的預編碼控制就越精確。對于FDDLTE系統而言，三項因素制約了基站端的信道信息精確程度：第一是手機的處理能力，受參考信號設計和手機端算法影響，信道估計的準確度十分有限。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(shí)，基站端信道狀態(tài)信息是手機端的延時(shí)版本。以上三點(diǎn)對空間復用和空間多址技術(shù)的實(shí)現效果影響很大，盡管設計過(guò)程中對反饋碼本選擇和實(shí)現算法上進(jìn)行了大量研究，最終的實(shí)際效果還需要大量的驗證工作。

對于TDDLTE系統，從理論上說(shuō)，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(lái)的好處在實(shí)際中的作用仍然不明朗，或者說(shuō)對于TDDLTE系統，基于信道互易性的波束賦型技術(shù)能否取得預期的效果仍有待實(shí)際驗證。

2.2、應用存在巨大不確定性

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

對于空間維度，LTE系統每個(gè)頻段上的信道特性不同，在每個(gè)頻帶上要分別進(jìn)行天線(xiàn)模式的控制時(shí)，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(dòng)速度和信道變化等各項因素。有時(shí)為了減輕反向傳輸壓力，LTE系統還要采用寬帶控制信號傳輸，使得MIMO效果也有所折扣。因此有很多人認為，在實(shí)際應用中，閉環(huán)的空間復用技術(shù)相對于開(kāi)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(hù)間信道的不相關(guān)性形成更好的多流傳輸，從而進(jìn)一步大幅提高系統容量。但是，受反向信道限制，每個(gè)用戶(hù)反饋的是部分信道信息。標準并沒(méi)有對多用戶(hù)的MIMO調度算法本身作出規定，如果反饋不精確，MAC層匹配不好，會(huì )發(fā)生比較大的用戶(hù)數據流與數據流間干擾，反而使性能大幅下降。由此可以看出，對相對復雜的無(wú)線(xiàn)環(huán)境，LTE系統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(wèn)題

LTE系統中有7種天線(xiàn)模式，模式之間及每個(gè)模式內部都有發(fā)送方式的切換問(wèn)題。面對這么多種模式，標準并沒(méi)有規定每種模式的應用場(chǎng)景與切換方式，模式間與模式內的切換由上層信令決定，這也意味著(zhù)MAC層的控制將直接對系統性能起決定性影響。對于基站而言，由于多天線(xiàn)產(chǎn)品的多樣化，如垂直極化天線(xiàn)、交叉極化天線(xiàn)等的應用，使得信道更加復雜，每種天線(xiàn)形態(tài)對應的天線(xiàn)模式更是不盡相同。換句話(huà)說(shuō)，這給廠(chǎng)家留下巨大的靈活度。對于基站，天線(xiàn)發(fā)送模式要根據信道變化而變，對于FDDLTE系統，基站端信道信息的獲得主要通過(guò)手機端反饋獲得，手機如何反饋如此豐富的信道信息始終是個(gè)疑問(wèn)。如果系統不能很好地解決這個(gè)問(wèn)題，LTE的性能發(fā)揮將受到很大影響。對于TDDLTE系統，波束賦型技術(shù)的實(shí)際效果還有待驗證。但是在整個(gè)產(chǎn)業(yè)的初期階段，由于MIMO靈活性大帶來(lái)的不確定因素過(guò)多，給各廠(chǎng)家的開(kāi)發(fā)也帶來(lái)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)驗不斷地給系統的優(yōu)化提供依據和方向。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(gè)LTE系統的測試一般分為室內測試與室外測試兩部分。室內測試階段主要關(guān)注基站和手機一些基本功能的實(shí)現和系統靜態(tài)性能，如最大傳輸速率、衰落信道下鏈路性能、多天線(xiàn)和頻域調度技術(shù)實(shí)現、隨機接入功能等。室內測試是對設備的基本處理能力的檢驗，也是對進(jìn)行外場(chǎng)測試的準備。室外測試階段將驗證在外場(chǎng)實(shí)際的復雜無(wú)線(xiàn)環(huán)境下LTE系統的性能。

3.1、室內測試

室內測試需要基站廠(chǎng)家準備測試基站（eNB）、測試終端（UE）、測試用儀表等實(shí)驗設備和環(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(lái)監測信號發(fā)送頻段、調制方式等信息，十分便捷。信道模擬儀用來(lái)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(xiàn)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增益主要體現在不同的信道條件下不同MIMO方案的系統吞吐量。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(lèi)型。信道類(lèi)型一般包括加性白高斯噪聲（AWGN）、步速3km/h低速信道、車(chē)速30km/h和車(chē)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）。

室內測試雖然可以對MIMO性能進(jìn)行類(lèi)似于仿真似的初步驗證，但是遠不能模擬復雜室外環(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(shí)變性，但是只能涵蓋有限的應用場(chǎng)景，甚至只能代表部分理論結果，與實(shí)際場(chǎng)景相差依然較遠。

在室內測試階段還有兩個(gè)難點(diǎn)：一個(gè)是波束賦型的測試，另一個(gè)是空間多址的測試?，F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(gè)巨大挑戰。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(zhù)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(gè)需要解決的問(wèn)題。對于空間多址的測試需要基站同時(shí)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，對測試設備數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(gè)技術(shù)難點(diǎn)。主要有以下原因：

第一，外場(chǎng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境復雜，不可控性強。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(guò)人為方式改變。如在實(shí)際道路中，車(chē)速一項因素就受測試所在場(chǎng)地所限，所謂的勻速行駛基本不存在，而是根據不同的路況實(shí)際決定。

第二，與室內階段相比，室外階段的信道可控制程度相差很遠。我們可以通過(guò)控制與基站距離和遮擋來(lái)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(shuō)是無(wú)能為力，因為一旦接收天線(xiàn)的距離給定，信道的相關(guān)性變化調節幾乎是不可能的。這一點(diǎn)對于MIMO測試可以說(shuō)是相當不利。由于信道相關(guān)性的不可控，如果進(jìn)行固定天線(xiàn)模式的測試，并若以信道吞吐量等關(guān)鍵指標對系統性能進(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，測試結果受多項因素影響。如果僅以吞吐量等簡(jiǎn)單性能指標作為衡量標準，難以對MIMO 技術(shù)做全面評價(jià)。我們如何建立一套對MIMO 技術(shù)全面的實(shí)際評價(jià)體系仍值得探討。

第四，測試終端限制。對于整個(gè)產(chǎn)業(yè)而言，終端的限制幾乎伴隨了整個(gè)無(wú)線(xiàn)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)現而言，終端性能受限，將對MIMO 技術(shù)的應用產(chǎn)生巨大影響，如空間復用模式中，如果SINR 不達到一定程度，多流的應用將難以實(shí)現。