MIMO技術(shù)在LTE系統(tǒng)中的應用及發(fā)展

吳秋瑩

（中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

1前言。LTE(Long Term Evolution)項目是3G的演進，3GPP長期演進(LTE)項目是近兩年來3GPP啟動的最大的新技術(shù)研發(fā)項目，它改進并增強了3G的空中接入技術(shù)，采用OFDM和MIMO作為其無線網(wǎng)絡演進的唯一標準。在20MHz頻譜帶寬下能夠提供下行100Mbit/s與上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小區(qū)邊緣用戶的性能，提高小區(qū)容量和降低系統(tǒng)延遲。

為了滿足LTE在高速率和高系統(tǒng)容量方面的需求，LTE系統(tǒng)支持下行應用多輸入輸出技術(shù)，包括空間復用，波束賦形以及傳輸分集。MIMO技術(shù)在R7中已經(jīng)被引入，是WCDMA增強的一個重要特性。而在LTE中，MIMO被認為是達到用戶平均吞吐量和頻譜效率要求的最佳技術(shù)。

2 MIMO概述

MIMO技術(shù)是指在發(fā)射端通過多個天線傳送無線電波信號，而在接收端使用多個天線接收信號的無線通信技術(shù)。它最初由無線電的發(fā)明者Marconi于1908年提出，通過在收發(fā)兩端使用多個天線，可以抑制信道衰落，從而大幅度提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。MIMO技術(shù)的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進行信號處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴展。

3 MIMO技術(shù)分類

3.1 空間復用

空間復用（Spatial Multiplexing）：系統(tǒng)將數(shù)據(jù)分割成多份，分別在發(fā)射端的多根天線上發(fā)射出去，接收端接收到多個數(shù)據(jù)的混合信號后，利用不同空間信道間獨立的衰落特性，區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。從而達到在相同的頻率資源內(nèi)獲取更高數(shù)據(jù)速率的目的。

空間復用技術(shù)是在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行解碼，此時的空口信道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增大，從而能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速率，參見圖1。

圖1 空間復用的系統(tǒng)示意框圖

使用空間復用技術(shù)時，接收端必須進行復雜的解碼處理。業(yè)界主要的解碼算法有：迫零算法（ZF），MMSE算法，最大似然解碼算法（MLD），分層空時處理算法（BLAST，Bell Labs Layered Space-Time）。

其中迫零算法，MMSE算法是線性算法，比較容易實現(xiàn)，但對信道的信噪比要求較高，性能不佳；MLD算法具有很好的譯碼性能，但它的解碼復雜度隨著發(fā)射天線個數(shù)的增加呈指數(shù)增加，因此，當發(fā)射天線的個數(shù)很大時，這種算法是不實用的；綜合前述算法優(yōu)點的BLAST算法是性能和復雜度最優(yōu)的。

BLAST算法是Bell實驗室提出的一種有效的空時處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統(tǒng)中。BLAST算法分為D-BLAST算法和VBLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實驗室的G.J.Foschini于1996年提出。對于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個子流獨立進行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。DBLAST的好處是每個子流的數(shù)據(jù)都可以通過不同的空間路徑到達接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復雜度太大，難以實際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時解碼，而是先對最強信號進行解碼，然后在接收信號中減去該最強信號，再對剩余信號中最強信號進行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一顆BLAST芯片在貝爾實驗室問世，這標志了MIMO技術(shù)走向商用的開始。

3.2 空時編碼

傳輸分集技術(shù)，以空時編碼（Space Time Coding）為代表：在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率。空時編碼通過在發(fā)射端增加信號的冗余度，使信號在接收端獲得分集增益。

空時編碼通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接受端獲得分集增益，但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。空時編碼的系統(tǒng)框圖參見圖2。

圖2 空時編碼的系統(tǒng)示意框圖

空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。

空時格碼在不犧牲系統(tǒng)帶寬的條件下，能使系統(tǒng)同時獲得分集增益和編碼增益。但是當天線個數(shù)一定時，空時格碼的解碼復雜度隨著分集程度和發(fā)射速率的增加呈指數(shù)增加。

為減小接收機的解碼復雜度，Alamouti提出了空時塊碼（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用簡單的線形處理進行解碼，從而降低了接收機的復雜度。

3.3 波束成型

波束成型（Beam Forming）：系統(tǒng)通過多根天線產(chǎn)生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸?shù)姆较颍瑥亩嵘盘栙|(zhì)量，并減少對其他用戶的干擾。

波束成型技術(shù)又稱為智能天線（Smart Antenna），通過對多根天線輸出信號的相關(guān)性進行相位加權(quán)，使信號在某個方向形成同相疊加（Constructive InteRFerence），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），從而實現(xiàn)信號的增益，參見圖3。

圖3 定向智能天線的信號仿真效果

當系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時（如TDD系統(tǒng)），系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每根天線發(fā)射信號的相位（數(shù)據(jù)相同），以保證在目標方向達到最大的增益；當系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時，可以采用隨機波束成形方法實現(xiàn)多用戶分集。

4 MIMO技術(shù)在LTE的應用

綜合使用空間復用技術(shù)和空時編碼技術(shù)，使得MIMO能夠在不同的使用場景下都發(fā)揮出良好的效果，3GPP組織也正是因為這一點，將MIMO技術(shù)納入了HSPA+標準（R7版本）。

出于成本及性能的綜合考慮，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天線模式：下行是雙天線發(fā)射，雙天線接收；上行為了降低終端的成本，縮小終端的體積，采用了單天線發(fā)射。也就是說，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是進行傳輸天線選擇。

HSPA+中，MIMO規(guī)定了下行的Precoding預編碼矩陣，包括4種形式：●空間復用（Spatial Multiplexing）。●空時塊碼（Space Time Block Coding）。●波束成型（Beam Forming）。●發(fā)射分集（Transmit Diversity）。在實際使用中，由基站根據(jù)無線環(huán)境的不同自動選擇使用。在HSPA+上行方面，MIMO技術(shù)有兩種天線選擇方案，即開環(huán)和閉環(huán)。●開環(huán)方案即TSTD（時分切換傳輸分集），上行數(shù)據(jù)輪流在天線間交替發(fā)送，從而避免單條信道的快衰落，參見圖4。● 閉環(huán)方案中，終端必須從不同的天線發(fā)送參考符號，由基站進行信道質(zhì)量測量，然后選擇信道質(zhì)量好的天線進行數(shù)據(jù)發(fā)送，參見圖5。

圖4 開環(huán)天線選擇方案

圖5 閉環(huán)天線選擇方案

結(jié)束語

隨著無線通信系統(tǒng)的充分發(fā)展，語音業(yè)務已經(jīng)不能夠滿足人們對高速數(shù)據(jù)業(yè)務的要求。提供網(wǎng)頁瀏覽、多媒體數(shù)據(jù)傳輸以及其他類型的數(shù)據(jù)業(yè)務是發(fā)展無線通信系統(tǒng)和服務的一個重要目的。MIMO技術(shù)能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務。我們相信，MIMO技術(shù)必將成為未來無線通信技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。

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