LTE中MIMO技術面臨的挑戰及其測試

面對復雜的無線環境和諸多新技術，設備的實現是否能夠發揮LTE標準的預期性能，還是一個未知數。LTE標準定義了比3G標準更強的能力，但同時也對設備研發帶來了更大挑戰。正交頻分復用(OFDM)和MIMO系統給LTE系統帶來了空前充裕的四維空口資源———頻域、時域、碼域和空域，并在4個緯度上均可進行靈活地調度和自適應，使LTE系統蘊含了更強大的技術潛力。但能不能用好這些資源，管好這個靈活的系統，是一個需要解決的問題。

LTE標準巨大的靈活性，客觀上造成了標準對設備開發質量的保證程度比3G低，LTE設備的優化更多地依賴于廠商的研發能力。LTE系統的靈活性更多地依賴MAC層的實現，因此在LTE標準中，單純物理層技術對設備能力的保障程度較低，系統的性能更依賴于MAC層調度和資源分配算法的優化。比如，3G系統就像個傻瓜相機，即使不會照相的人也能照出比較滿意的照片；而LTE系統卻像個專業相機，會照相的人會照出比傻瓜機好得多的效果，但不會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通信廠商均已經開發出TD-LTE或FDDLTE樣機，并基于這些樣機進行了一系列概念驗證測試。某些比較激進的歐美運營商已經和一些開發進度較快的設備廠商簽訂了預商用網絡的合同，準備部署城市級別的LTE試驗網絡。

在大規模商用之前，需要大量的測試實驗工作。一方面要進一步驗證技術的可行性，另一方面要在實際場景中驗證各種技術的實用性，找出一套或若干套配置，來發揮LTE強大的功能。在若干急需解決的問題中，MIMO是LTE技術中最核心的技術之一。

1、LTE中的MIMO

技術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、空間復用和單天線發送各種模式之間轉換，從而可以最大限度地利用實際信道的容量。相對雙小區HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天線MIMO，LTE的MIMO傳輸最大可以支持4天線發送。如圖1所示。

圖1 LTE 相對3G 在頻域和空域進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技術的無線通信系統，與IEEE802.16e只主要采用了空間分集技術相比，LTE采用了各種MIMO傳輸模式。

1.1、下行MIMO模式

（1）發射分集：通過在多個天線上重復發送一個數據流的不同版本，獲得分集增益，用來改善小區的覆蓋，適用于大間距的天線陣。
（2）空間復用：通過在多個天線上并行發送多個數據流，獲得復用增益，用來提高峰值速率和小區吞吐量。該模式多流數據的發送有賴于空間信道的特性，高相關性信道下，如果采用多流并行傳輸，會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：通過在多個天線陣元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束，獲得賦形增益，用來改善小區覆蓋，適用于小間距的天線陣。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行更加精確的發送控制。波束賦型就是這一應用的具體體現。波束賦型技術是3G的智能天線技術的擴展，波束賦型技術的應用使得LTE可使用的物理天線數上升到8根。
（4）空間多址：和空間復用機理相似，只是多個并行數據流用于多個用戶，而非單個用戶，用來提高系統用戶容量。空間多址技術有賴于用戶數量和分布，對于城市熱點覆蓋和接入用戶比較多的情景，該模式有很大的實施空間。對比單用戶空間復用和空間多址兩種模式，可以發現，兩種模式都可以使用多個數據流同時發送，但是兩種模式又有所區別。單用戶的多數據流實現受信道相關性和信道質量限制嚴重，只有在天線間相關度比較低，信道質量很好的條件下，空間復用才會使用多數據流傳輸。由于手機端接收天線距離較小，天線間信道相關度較大，從而實現兩流的場景比較受限，對系統容量提升不是十分明顯。反觀空間多址多用戶MIMO模式，每個用戶反饋一個流的信道質量信息和預編碼矩陣。在基站側，通過MAC的調度算法來完成用戶的配對及速率匹配算法。每次都會應用多流傳輸，在用戶數量比較多、用戶間信道相關度比較低的情景下，會有較大的性能提升。

1.2、上行MIMO模式

空間多址：上行由于受到終端發送天線和發送功放的數量限制，只支持空分多址模式。

2、LTE中MIMO技術遇到的挑戰

面對如此多的MIMO模式，如何很好地應用，可以說是一個巨大的挑戰。

2.1、反向控制信息受限

基站和手機要實現各種模式，需要基站與手機端的大量控制信息交換，而控制信息的質量直接影響到MIMO實現的效果。在下行天線模式中，所有MIMO技術均需要信道質量指示（CQI），空間復用和空間多址技術還需要信道狀態信息（CSI）來進行基站端發送預編碼的控制?？臻g復用和空間多址技術被認為是MIMO中頻譜利用率最高、最能體現多天線特性的技術。這兩種模式的應用很大程度上要依賴信道狀態信息的準確性。信道狀態信息的準確性體現在基站端精確獲得手機接收時刻的信道狀況。信道狀態信息越準確，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信息總是手機端信道狀態信息的量化版本。第三，由于反向信道傳輸延時，基站端信道狀態信息是手機端的延時版本。以上三點對空間復用和空間多址技術的實現效果影響很大，盡管設計過程中對反饋碼本選擇和實現算法上進行了大量研究，最終的實際效果還需要大量的驗證工作。

對于TDDLTE系統，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際中的作用仍然不明朗，或者說對于TDDLTE系統，基于信道互易性的波束賦型技術能否取得預期的效果仍有待實際驗證。

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線環境，但實際上也加大了對無線環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系統每個頻段上的信道特性不同，在每個頻帶上要分別進行天線模式的控制時，要考慮信道質量好壞，也要考慮信道的相關性，還要綜合終端移動速度和信道變化等各項因素。有時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，在實際應用中，閉環的空間復用技術相對于開環的發送方式增益不大。

對于空間多址而言，理論上可以利用用戶間信道的不相關性形成更好的多流傳輸，從而進一步大幅提高系統容量。但是，受反向信道限制，每個用戶反饋的是部分信道信息。標準并沒有對多用戶的MIMO調度算法本身作出規定，如果反饋不精確，MAC層匹配不好，會發生比較大的用戶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，對相對復雜的無線環境，LTE系統想做到很好的匹配還有非常多的工作要做。

2.3、MIMO模式切換問題

LTE系統中有7種天線模式，模式之間及每個模式內部都有發送方式的切換問題。面對這么多種模式，標準并沒有規定每種模式的應用場景與切換方式，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，由于多天線產品的多樣化，如垂直極化天線、交叉極化天線等的應用，使得信道更加復雜，每種天線形態對應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。對于基站，天線發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疑問。如果系統不能很好地解決這個問題，LTE的性能發揮將受到很大影響。對于TDDLTE系統，波束賦型技術的實際效果還有待驗證。但是在整個產業的初期階段，由于MIMO靈活性大帶來的不確定因素過多，給各廠家的開發也帶來了不小的困難。產業的成熟很大程度上需要靠大量的實驗不斷地給系統的優化提供依據和方向。下面將介紹一些針對MIMO的測試技術。

3、MIMO技術測試

對整個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注基站和手機一些基本功能的實現和系統靜態性能，如最大傳輸速率、衰落信道下鏈路性能、多天線和頻域調度技術實現、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，也是對進行外場測試的準備。室外測試階段將驗證在外場實際的復雜無線環境下LTE系統的性能。

3.1、室內測試

室內測試需要基站廠家準備測試基站（eNB）、測試終端（UE）、測試用儀表等實驗設備和環境。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，可以用來監測信號發送頻段、調制方式等信息，十分便捷。信道模擬儀用來模擬實際的信道環境，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傳輸。此外，測試中還需測試用的相關檢測軟件，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。
·不同的信道相關性。信道相關性分為高相關性、中相關性與低相關性。
·不同的信道信噪比（SNR）。

室內測試雖然可以對MIMO性能進行類似于仿真似的初步驗證，但是遠不能模擬復雜室外環境的影響。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注下行性能，看信道的變化對下行容量的影響。但是在實際的應用中，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性和時變性，但是只能涵蓋有限的應用場景，甚至只能代表部分理論結果，與實際場景相差依然較遠。

在室內測試階段還有兩個難點：一個是波束賦型的測試，另一個是空間多址的測試?，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需要解決的問題。對于空間多址的測試需要基站同時連接多部終端，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產業初期，這也是很難做到的。

3.2、室外測試

室外對于LTE 中MIMO 技術的測試仍然是一個技術難點。主要有以下原因：

第一，外場無線環境復雜，不可控性強。室外測試中的信道受實際各因素影響，變化方式和組合多種多樣，難以通過人為方式改變。如在實際道路中，車速一項因素就受測試所在場地所限，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。我們可以通過控制與基站距離和遮擋來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性。在信道相關性這一點上，我們可以說是無能為力，因為一旦接收天線的距離給定，信道的相關性變化調節幾乎是不可能的。這一點對于MIMO測試可以說是相當不利。由于信道相關性的不可控，如果進行固定天線模式的測試，并若以信道吞吐量等關鍵指標對系統性能進行測試，信道相關性對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單性能指標作為衡量標準，難以對MIMO 技術做全面評價。我們如何建立一套對MIMO 技術全面的實際評價體系仍值得探討。

第四，測試終端限制。對于整個產業而言，終端的限制幾乎伴隨了整個無線通信產業的發展，終端的發展往往滯后于基站的發展。終端發展的落后使得基站成熟也受到很大影響。對于MIMO 技術的實現而言，終端性能受限，將對MIMO 技術的應用產生巨大影響，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現。