LTE中MIMO技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其測(cè)試

面對(duì)復(fù)雜的無線環(huán)境和諸多新技術(shù)，設(shè)備的實(shí)現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)期性能，還是一個(gè)未知數(shù)。LTE標(biāo)準(zhǔn)定義了比3G標(biāo)準(zhǔn)更強(qiáng)的能力，但同時(shí)也對(duì)設(shè)備研發(fā)帶來了更大挑戰(zhàn)。正交頻分復(fù)用(OFDM)和MIMO系統(tǒng)給LTE系統(tǒng)帶來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(diào)度和自適應(yīng)，使LTE系統(tǒng)蘊(yùn)含了更強(qiáng)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(tǒng)，是一個(gè)需要解決的問題。

LTE標(biāo)準(zhǔn)巨大的靈活性，客觀上造成了標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備開發(fā)質(zhì)量的保證程度比3G低，LTE設(shè)備的優(yōu)化更多地依賴于廠商的研發(fā)能力。LTE系統(tǒng)的靈活性更多地依賴MAC層的實(shí)現(xiàn)，因此在LTE標(biāo)準(zhǔn)中，單純物理層技術(shù)對(duì)設(shè)備能力的保障程度較低，系統(tǒng)的性能更依賴于MAC層調(diào)度和資源分配算法的優(yōu)化。比如，3G系統(tǒng)就像個(gè)傻瓜相機(jī)，即使不會(huì)照相的人也能照出比較滿意的照片；而LTE系統(tǒng)卻像個(gè)專業(yè)相機(jī)，會(huì)照相的人會(huì)照出比傻瓜機(jī)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(jī)。

中國(guó)和國(guó)際上的主要移動(dòng)通信廠商均已經(jīng)開發(fā)出TD-LTE或FDDLTE樣機(jī)，并基于這些樣機(jī)進(jìn)行了一系列概念驗(yàn)證測(cè)試。某些比較激進(jìn)的歐美運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)和一些開發(fā)進(jìn)度較快的設(shè)備廠商簽訂了預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)的合同，準(zhǔn)備部署城市級(jí)別的LTE試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。

在大規(guī)模商用之前，需要大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)工作。一方面要進(jìn)一步驗(yàn)證技術(shù)的可行性，另一方面要在實(shí)際場(chǎng)景中驗(yàn)證各種技術(shù)的實(shí)用性，找出一套或若干套配置，來發(fā)揮LTE強(qiáng)大的功能。在若干急需解決的問題中，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(tǒng)采用了同一框架的自適應(yīng)MIMO傳輸，可以根據(jù)信道條件和需要自適應(yīng)在空間分集、空分復(fù)用、波束賦型、空間復(fù)用和單天線發(fā)送各種模式之間轉(zhuǎn)換，從而可以最大限度地利用實(shí)際信道的容量。相對(duì)雙小區(qū)HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天線MIMO，LTE的MIMO傳輸最大可以支持4天線發(fā)送。如圖1所示。

圖1 LTE 相對(duì)3G 在頻域和空域進(jìn)一步挖掘了信道資源

LTE系統(tǒng)是迄今為止最全面地采用了MIMO技術(shù)的無線通信系統(tǒng)，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：通過在多個(gè)天線上重復(fù)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)流的不同版本，獲得分集增益，用來改善小區(qū)的覆蓋，適用于大間距的天線陣。
（2）空間復(fù)用：通過在多個(gè)天線上并行發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，獲得復(fù)用增益，用來提高峰值速率和小區(qū)吞吐量。該模式多流數(shù)據(jù)的發(fā)送有賴于空間信道的特性，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(yán)重的數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)流之間的干擾，從而降低系統(tǒng)性能。
（3）波束賦型：通過在多個(gè)天線陣元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區(qū)覆蓋，適用于小間距的天線陣。該模式主要針對(duì)TDDLTE系統(tǒng)。在TDD系統(tǒng)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(jù)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(yīng)用的具體體現(xiàn)。波束賦型技術(shù)是3G的智能天線技術(shù)的擴(kuò)展，波束賦型技術(shù)的應(yīng)用使得LTE可使用的物理天線數(shù)上升到8根。
（4）空間多址：和空間復(fù)用機(jī)理相似，只是多個(gè)并行數(shù)據(jù)流用于多個(gè)用戶，而非單個(gè)用戶，用來提高系統(tǒng)用戶容量?？臻g多址技術(shù)有賴于用戶數(shù)量和分布，對(duì)于城市熱點(diǎn)覆蓋和接入用戶比較多的情景，該模式有很大的實(shí)施空間。對(duì)比單用戶空間復(fù)用和空間多址兩種模式，可以發(fā)現(xiàn)，兩種模式都可以使用多個(gè)數(shù)據(jù)流同時(shí)發(fā)送，但是兩種模式又有所區(qū)別。單用戶的多數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)受信道相關(guān)性和信道質(zhì)量限制嚴(yán)重，只有在天線間相關(guān)度比較低，信道質(zhì)量很好的條件下，空間復(fù)用才會(huì)使用多數(shù)據(jù)流傳輸。由于手機(jī)端接收天線距離較小，天線間信道相關(guān)度較大，從而實(shí)現(xiàn)兩流的場(chǎng)景比較受限，對(duì)系統(tǒng)容量提升不是十分明顯。反觀空間多址多用戶MIMO模式，每個(gè)用戶反饋一個(gè)流的信道質(zhì)量信息和預(yù)編碼矩陣。在基站側(cè)，通過MAC的調(diào)度算法來完成用戶的配對(duì)及速率匹配算法。每次都會(huì)應(yīng)用多流傳輸，在用戶數(shù)量比較多、用戶間信道相關(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)送天線和發(fā)送功放的數(shù)量限制，只支持空分多址模式。

2、LTE中MIMO技術(shù)遇到的挑戰(zhàn)

面對(duì)如此多的MIMO模式，如何很好地應(yīng)用，可以說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

2.1、反向控制信息受限

基站和手機(jī)要實(shí)現(xiàn)各種模式，需要基站與手機(jī)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(xiàn)的效果。在下行天線模式中，所有MIMO技術(shù)均需要信道質(zhì)量指示（CQI），空間復(fù)用和空間多址技術(shù)還需要信道狀態(tài)信息（CSI）來進(jìn)行基站端發(fā)送預(yù)編碼的控制?？臻g復(fù)用和空間多址技術(shù)被認(rèn)為是MIMO中頻譜利用率最高、最能體現(xiàn)多天線特性的技術(shù)。這兩種模式的應(yīng)用很大程度上要依賴信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性。信道狀態(tài)信息的準(zhǔn)確性體現(xiàn)在基站端精確獲得手機(jī)接收時(shí)刻的信道狀況。信道狀態(tài)信息越準(zhǔn)確，基站端的預(yù)編碼控制就越精確。對(duì)于FDDLTE系統(tǒng)而言，三項(xiàng)因素制約了基站端的信道信息精確程度：第一是手機(jī)的處理能力，受參考信號(hào)設(shè)計(jì)和手機(jī)端算法影響，信道估計(jì)的準(zhǔn)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(jī)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(jī)端的延時(shí)版本。以上三點(diǎn)對(duì)空間復(fù)用和空間多址技術(shù)的實(shí)現(xiàn)效果影響很大，盡管設(shè)計(jì)過程中對(duì)反饋碼本選擇和實(shí)現(xiàn)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(yàn)證工作。

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

2.2、應(yīng)用存在巨大不確定性

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

對(duì)于空間維度，LTE系統(tǒng)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(xiàng)因素。有時(shí)為了減輕反向傳輸壓力，LTE系統(tǒng)還要采用寬帶控制信號(hào)傳輸，使得MIMO效果也有所折扣。因此有很多人認(rèn)為，在實(shí)際應(yīng)用中，閉環(huán)的空間復(fù)用技術(shù)相對(duì)于開環(huán)的發(fā)送方式增益不大。

對(duì)于空間多址而言，理論上可以利用用戶間信道的不相關(guān)性形成更好的多流傳輸，從而進(jìn)一步大幅提高系統(tǒng)容量。但是，受反向信道限制，每個(gè)用戶反饋的是部分信道信息。標(biāo)準(zhǔn)并沒有對(duì)多用戶的MIMO調(diào)度算法本身作出規(guī)定，如果反饋不精確，MAC層匹配不好，會(huì)發(fā)生比較大的用戶數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)流間干擾，反而使性能大幅下降。由此可以看出，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的無線環(huán)境，LTE系統(tǒng)想做到很好的匹配還有非常多的工作要做。

2.3、MIMO模式切換問題

LTE系統(tǒng)中有7種天線模式，模式之間及每個(gè)模式內(nèi)部都有發(fā)送方式的切換問題。面對(duì)這么多種模式，標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定每種模式的應(yīng)用場(chǎng)景與切換方式，模式間與模式內(nèi)的切換由上層信令決定，這也意味著MAC層的控制將直接對(duì)系統(tǒng)性能起決定性影響。對(duì)于基站而言，由于多天線產(chǎn)品的多樣化，如垂直極化天線、交叉極化天線等的應(yīng)用，使得信道更加復(fù)雜，每種天線形態(tài)對(duì)應(yīng)的天線模式更是不盡相同。換句話說，這給廠家留下巨大的靈活度。對(duì)于基站，天線發(fā)送模式要根據(jù)信道變化而變，對(duì)于FDDLTE系統(tǒng)，基站端信道信息的獲得主要通過手機(jī)端反饋獲得，手機(jī)如何反饋如此豐富的信道信息始終是個(gè)疑問。如果系統(tǒng)不能很好地解決這個(gè)問題，LTE的性能發(fā)揮將受到很大影響。對(duì)于TDDLTE系統(tǒng)，波束賦型技術(shù)的實(shí)際效果還有待驗(yàn)證。但是在整個(gè)產(chǎn)業(yè)的初期階段，由于MIMO靈活性大帶來的不確定因素過多，給各廠家的開發(fā)也帶來了不小的困難。產(chǎn)業(yè)的成熟很大程度上需要靠大量的實(shí)驗(yàn)不斷地給系統(tǒng)的優(yōu)化提供依據(jù)和方向。下面將介紹一些針對(duì)MIMO的測(cè)試技術(shù)。

3、MIMO技術(shù)測(cè)試

對(duì)整個(gè)LTE系統(tǒng)的測(cè)試一般分為室內(nèi)測(cè)試與室外測(cè)試兩部分。室內(nèi)測(cè)試階段主要關(guān)注基站和手機(jī)一些基本功能的實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)靜態(tài)性能，如最大傳輸速率、衰落信道下鏈路性能、多天線和頻域調(diào)度技術(shù)實(shí)現(xiàn)、隨機(jī)接入功能等。室內(nèi)測(cè)試是對(duì)設(shè)備的基本處理能力的檢驗(yàn)，也是對(duì)進(jìn)行外場(chǎng)測(cè)試的準(zhǔn)備。室外測(cè)試階段將驗(yàn)證在外場(chǎng)實(shí)際的復(fù)雜無線環(huán)境下LTE系統(tǒng)的性能。

3.1、室內(nèi)測(cè)試

室內(nèi)測(cè)試需要基站廠家準(zhǔn)備測(cè)試基站（eNB）、測(cè)試終端（UE）、測(cè)試用儀表等實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境。測(cè)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(cè)試儀表，可以用來監(jiān)測(cè)信號(hào)發(fā)送頻段、調(diào)制方式等信息，十分便捷。信道模擬儀用來模擬實(shí)際的信道環(huán)境，由于是測(cè)試MIMO性能，因此信道模擬儀需要支持多通道以模擬多天線傳輸。此外，測(cè)試中還需測(cè)試用的相關(guān)檢測(cè)軟件，如吞吐量檢測(cè)軟件。

MIMO的測(cè)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(cè)試圖。下行的MIMO增益主要體現(xiàn)在不同的信道條件下不同MIMO方案的系統(tǒng)吞吐量。對(duì)于MIMO技術(shù)的測(cè)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：
·不同的信道類型。信道類型一般包括加性白高斯噪聲（AWGN）、步速3km/h低速信道、車速30km/h和車速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(nèi)測(cè)試雖然可以對(duì)MIMO性能進(jìn)行類似于仿真似的初步驗(yàn)證，但是遠(yuǎn)不能模擬復(fù)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(duì)下行容量的影響。但是在實(shí)際的應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)景，甚至只能代表部分理論結(jié)果，與實(shí)際場(chǎng)景相差依然較遠(yuǎn)。

在室內(nèi)測(cè)試階段還有兩個(gè)難點(diǎn)：一個(gè)是波束賦型的測(cè)試，另一個(gè)是空間多址的測(cè)試?，F(xiàn)階段的信道模擬儀表多為2入2出，對(duì)于波束賦型的測(cè)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(duì)測(cè)試儀器本身也是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。而且對(duì)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)需要解決的問題。對(duì)于空間多址的測(cè)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(duì)測(cè)試設(shè)備數(shù)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(cè)試

室外對(duì)于LTE 中MIMO 技術(shù)的測(cè)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)無線環(huán)境復(fù)雜，不可控性強(qiáng)。室外測(cè)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，難以通過人為方式改變。如在實(shí)際道路中，車速一項(xiàng)因素就受測(cè)試所在場(chǎng)地所限，所謂的勻速行駛基本不存在，而是根據(jù)不同的路況實(shí)際決定。

第二，與室內(nèi)階段相比，室外階段的信道可控制程度相差很遠(yuǎn)。我們可以通過控制與基站距離和遮擋來粗略控制信道的信號(hào)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，我們可以說是無能為力，因?yàn)橐坏┙邮仗炀€的距離給定，信道的相關(guān)性變化調(diào)節(jié)幾乎是不可能的。這一點(diǎn)對(duì)于MIMO測(cè)試可以說是相當(dāng)不利。由于信道相關(guān)性的不可控，如果進(jìn)行固定天線模式的測(cè)試，并若以信道吞吐量等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，信道相關(guān)性對(duì)MIMO性能的影響將很難評(píng)估。

第三，對(duì)MIMO 性能如何衡量。室外測(cè)試中，測(cè)試結(jié)果受多項(xiàng)因素影響。如果僅以吞吐量等簡(jiǎn)單性能指標(biāo)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，難以對(duì)MIMO 技術(shù)做全面評(píng)價(jià)。我們?nèi)绾谓⒁惶讓?duì)MIMO 技術(shù)全面的實(shí)際評(píng)價(jià)體系仍值得探討。

第四，測(cè)試終端限制。對(duì)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)而言，終端的限制幾乎伴隨了整個(gè)無線通信產(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(duì)于MIMO 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，終端性能受限，將對(duì)MIMO 技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響，如空間復(fù)用模式中，如果SINR 不達(dá)到一定程度，多流的應(yīng)用將難以實(shí)現(xiàn)。