LTE/LTE-A MIMO原理與應用

1 概述

天線(xiàn)技術(shù)和信號 處理技術(shù)的發(fā)展，也讓越來(lái)越多的人意識到通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)實(shí)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(shù)應運而生，它通過(guò)采用空時(shí)編碼（STC）,利用多天線(xiàn)陣列實(shí)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(lái)“熱門(mén)”的無(wú)線(xiàn)通信系統所必不可少的關(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300 Mbp（4×4 MIMO）和150 Mbps（2×2 MIMO）。為了保持3GPP標準的技術(shù)優(yōu)勢和市場(chǎng)競爭優(yōu)勢，3GPP于2008年4月正式開(kāi)始了LTE演進(jìn)標準——LTE-Advanced（以下簡(jiǎn)稱(chēng) 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應用場(chǎng)景

回顧香農定理，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，但是當信噪比提升到一定程度后再提升信噪比的話(huà)，速率雖然會(huì )提升，但提升的不明顯了，畫(huà)成曲線(xiàn)的話(huà)，其走勢類(lèi)似對數曲線(xiàn)。

C = BLOG2 +(1+ S/N)（1）

可見(jiàn)，當信噪比很差的時(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。 而當信噪比已經(jīng)不錯的情況下，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，運營(yíng)商也會(huì )讓MIMO空分復用模式登場(chǎng)的原因。即在 現實(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(lái)提升信噪比更適合。下面來(lái)詳細看看LTE-A MIMO技術(shù)的分類(lèi)和應用場(chǎng)景。

2.1 空分復用

無(wú)線(xiàn)信號在密集城區、室內覆蓋等環(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立，從而使得空分復用的效果更加明顯。無(wú)線(xiàn)信號在市郊、農村地區多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空分復用的效果要差許多。

現實(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)典型的小區蜂窩網(wǎng)中，基站往往架設在較高的地方，四面開(kāi)闊，極少有反射體和遮擋物，所以為了 保證MIMO系統享有較好的性能，通常在基站側要拉大天線(xiàn)間的間距（至少為5~10倍波長(cháng)），從而保證足夠多的不相關(guān)的多徑信號；而在用戶(hù)側情況就不同 了。我們周?chē)涑庵?zhù)大量的建筑、墻體，用戶(hù)本身就處在天然的、豐富的反射體包圍中，所以用戶(hù)設備一般不需要太大的天線(xiàn)間距就可以滿(mǎn)足性能的需求（一般為波 長(cháng)的0.5~1倍），現在不用擔心將來(lái)的手機長(cháng)著(zhù)像牛角一樣分叉的天線(xiàn)了。

對于適用于密集城區地區的MIMO應用，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(lài)終端的反饋信息進(jìn)行預編碼，對環(huán)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(kāi)環(huán)MIMO，其健壯性較強，對SNR要求和信道相關(guān)性要求不如閉環(huán)MIMO嚴格。

圖1 MIMO空分復用的2種實(shí)現形式：開(kāi)環(huán)與閉環(huán)