向LTE演進，多天線漸顯優勢

本刊記者 | 魯義軒

對話嘉賓：

江蘇郵電規劃設計院有限公司研究院院長 朱晨明

廣東電信規劃設計院有限公司 劉德全

大唐移動市場營銷部市場總監 劉龍山

在3G持續優化和4G演進格局下，面對頻譜資源的嚴重不足、大流量業務的激增，在天線等配套設備上引入新技術已經被運營商作為重點工程。此前針對TD智能天線，中國移動在3G深度優化上提出了天線小型化、雙極化、寬帶化和電調化的“四化”要求。

在后3G時代，因能在不增加帶寬的情況下提高傳輸效率和頻譜利用率，MIMO多天線技術的試驗和應用也被提上日程，獲得運營商和產業鏈重視。

但對于業界熱議的MIMO優勢，中國移動地方運營商人士并非同樣樂觀，在該人士看來，TD運營的兩年來，智能天線并沒有達到原來設計的效果，先進的技術在現網中的應用并不是一帆風順。

圍繞MIMO技術特性和應用關鍵，本刊邀請多位技術專家來一同解讀。

革命性的MIMO技術

《通信世界周刊》：在3G深入優化以及向4G演進的過程中，業界頻繁提到多天線技術的應用。該技術比以往的天線技術先進在哪里？

朱晨明：多天線技術（MIMO）是天線分集與空時處理技術相結合的產物，源于天線分集與智能天線技術，具有二者的優越性。MIMO技術實質上是為系統提供空間復用增益和空間分集增益，空間復用技術可以大大提高信道容量，而空間分集則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。通常，多徑會引起衰落，因而被視為有害因素，然而對于MIMO來說，多徑可以作為一個有利因素加以利用，MIMO技術的關鍵是能夠將傳統通信系統中存在的多徑衰落影響因素變成對用戶通信性能有利的增強因素，能夠在不增加信號帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個數量級。

劉德全：在3G深入優化以及向4G演進的過程中，各種技術都是在想方設法提高空中接口的效率，MIMO技術成倍增加了無線信道容量和頻譜利用率，這是以往天線無法實現的。

LTE系統中采用了MIMO技術，可以用在室外宏站中，也可以用在室內分布系統中。在室外宏站中，采用多陣元天線構成的MIMO雙極化板狀天線。室內分布系統中，目前采用單極化吸頂天線，也就是每一路信息流采用一副單極化吸頂天線，隨著工藝改進，雙極化吸頂天線也將逐步成熟，屆時LTE的兩路信息流可以共用雙極化吸頂天線，這將減少一半天線數量，減小施工難度。

劉龍山：在目前的3G快速發展階段，TD網絡中的天線技術主要還是以智能天線為主。智能天線在算法、基帶處理等方面已經非常成熟。對于智能天線的優化，我們也提出過一些方案，例如TD網絡優化有時需要調整天線方位角，以前的方法是通過人工對天線進行機械調整，現在則可以通過軟件來遠程實現電子調節。

多天線技術帶來的天線分集和賦形增益，可以有效擴大系統覆蓋范圍，顯著提高信號質量；同時，多天線MIMO技術可以利用空間復用增益，顯著提升上下行吞吐量，適合于承載大流量的數據業務。

MIMO的兩大特征

《通信世界周刊》：實現高頻譜利用率和增大系統的覆蓋范圍，是否可以視為是多天線技術的兩大目的？

朱晨明：信道容量隨著天線數量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬和天線發送功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，另外MIM O技術還可以提高網絡覆蓋能力：M IM O工作在分集模式下，通過分集增益可以增加小區覆蓋半徑；在復用模式下，通過提升小區邊緣速率獲得的分集增益來提升小區覆蓋半徑。

但值得注意的是，MIMO可以增加系統的覆蓋范圍也會犧牲部分數據傳輸速率，而M IM O技術的應用最終目的是解決系統容量，提升頻譜效率，因此實現高頻譜利用率是多天線技術的主要目的，而增大系統的覆蓋范圍并不是MIMO技術的主要目的。

劉德全：MIMO可以同時發送和接收多個空間流，提高信道容量。同時MIMO信道提供的空間分集增益也提高了信道的可靠性，降低誤碼率。

因此，MIMO通過利用多根天線，在不增加頻帶寬度的情況下提高數據傳輸速度，實現了高頻譜利用率，同時憑借空間分集增益也延長了通信距離。

劉龍山：這是多天線技術最明顯的兩個優點。事實上現在的智能天線已經在向這樣的方向發展。多天線技術復雜度較高，業界對于在3G階段是否引入MIMO多天線也有過討論，最終一致認為，從技術上和效益上，在TD-LTE時代引入MIMO多天線更為合適。

在硬件設備上，只要頻率合適，TD智能天線過渡到TD-LTE多天線不需更換設備。例如大唐的8天線雙流波束賦形已經可以使智能天線在基帶處理單元上通過軟件升級支持多天線MIMO技術。

MIMO技術的應用場景

MIMO技術主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質：空間復用；傳輸分集；波束成型。

空間復用能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時使用，可能無法使用高階調制方式，如16QAM等。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，在這種場景下空間復用的優勢比較明顯。

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，如果采用空間復用效果要差許多。

波束成型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，因此比較適合TDD系統。波束成型技術不適合密集城區、室內覆蓋等環境，由于反射的原因，一方面接收端會收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號會導致DOA信息估算困難。（朱晨明）

3G網絡不適合MIMO

《通信世界周刊》：不同3G技術的演進上，多天線技術的成熟度和應用特點是否也不同？

朱晨明：經過多年的研究，MIMO技術取得了一定的進展，但還有許多實際問題需要解決，如天線的數量和距離、接收機的復雜性、MIMO信道模型等，MIM O的成熟及大規模商用還有很長的一段路要走。

MIMO還未在3G網絡上得到應用，具體原因主要體現在以下幾個方面。

天線問題。在MIMO的系統設計中，天線的數目和間距是重要的系統參數。具有多天線的基站更多地關注環境，因此，天線元的數目被限制在恰當的數目，比如說四根天線。而對于終端而言，1/2波長間距足夠保證非相關衰落。可以設想終端天線的最大數為四根，當然，兩根天線實現的可能性更大。間距參數對于實現MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對于手機而言，安裝兩根天線可能是個問題。這是因為目前手機設計的趨勢是把天線放入蓋子里以改進外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。

接收機復雜度的問題。首先，接收機中對MIMO信道的估計使得復雜度增加。另外，復雜度還來自特別的RF、硬件和接收機高級分離算法。M IM O接收機應該是雙模的，以支持非M IM O模式。在M IM O模式時，接收機的每根天線使用一個RF鏈路，另外還要有附加的基帶操作，即用來消除空間干擾的空時合并器和檢測器。這些附加需求使得四發四收MIMO系統的復雜度大約是單天線接收機的兩倍。由于M IMO接收機環境的時延擴展帶來的不同信道條件可能還需要均衡和干擾消除的處理，可能會進一步加大接收機的復雜度。

劉德全：從理論上來說，3G系統可以選擇采用M IM O技術，但是考慮到實現的復雜度等問題，目前我國正在運營的3G系統都沒有采用MIMO技術。TD-SCDMA系統采用了智能天線技術，這種技術也是采用了多陣元天線，但與M IM O不同的是通過不同的發射天線來發送相同的數據，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效提高天線增益，降低用戶間的干擾。因此智能天線技術也可以算一種天線分集技術，但沒有實現空間復用，不是MIMO技術。WCDMA系統也進行了MIMO的標準化工作，但運營中沒采用多天線技術。

江蘇郵電規劃設計院有限公司研究院院長朱晨明

廣東電信規劃設計院有限公司劉德全

大唐移動市場營銷部市場總監劉龍山

劉龍山：目前在技術上，TD網絡引入MIMO多天線技術更加靈活。WCDMA和cdma2000將走向LTE FDD，LTE FDD也會用到多天線技術，但TDD更有靈活性。多天線MIMO技術的實現涉及到信道狀態信息的反饋，TDD因其上下行信道采用相同的頻率，可以利用上下行信道的互易性，實現起來更為靈活。

4G的最佳選擇

《通信世界周刊》：似乎多天線技術更適合在LTE以及4G中發揮作用？

朱晨明：MIMO將在LTE以及4G中得到廣泛應用。

針對LTE以及4G時代的高傳輸速率，必須采用一些具有高頻譜利用率的技術來實現。MIMO技術具有極高的頻譜利用率，而且其提供的空間分集可以顯著改善無線鏈路性能。

劉德全：M IMO曾被3G采用，主要利用M IM O空間分集的優點提高系統性能。在WCDMA協議中，可使用6種分集發射方法，基站有2個發送天線，其本質是MIMO的空間分集。基站每個天線到手機的信號通過正交碼來區分。另外，在3GPP的HSDPA中提出了使用MIMO天線系統，此系統在發送和接收方都有多副天線。

與傳統天線相比，MIMO由于采用多天線，提高信道容量的優勢非常明顯，但是M IMO接收機設計的最明顯的劣勢是復雜度高。

因此雖然從理論上來說，TD-SCDM A系統和WCDMA系統都可以選擇采用MIMO技術，但是考慮到實現的復雜度等問題，3G運營中并沒采用多天線技術。MIMO與OFDM結合將會是4G最佳選擇。

劉龍山：多天線技術MIMO技術主要將在TDLTE實現應用。目前，大唐移動已經與中國移動研究院展開合作，針對中國移動在全國范圍鋪開的TD網絡，8天線雙流賦形技術可以使其智能天線在后續發展上，平滑升級到TD-LTE，大大減少工程施工量。

在今年即將展開的TD-LTE規模試驗中，8天線技術將廣泛采用，大規模的應用可以對該技術進行全面驗證和進一步增強。