MIMO技术在LTE系统中的应用及发展

吴秋莹

（中国移动通信集团设计院有限公司黑龙江分公司，黑龙江 哈尔滨 150080）

1前言。LTE(Long Term Evolution)项目是3G的演进，3GPP长期演进(LTE)项目是近两年来3GPP启动的最大的新技术研发项目，它改进并增强了3G的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20MHz频谱带宽下能够提供下行100Mbit/s与上行50Mbit/s的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高小区容量和降低系统延迟。

为了满足LTE在高速率和高系统容量方面的需求，LTE系统支持下行应用多输入输出技术，包括空间复用，波束赋形以及传输分集。MIMO技术在R7中已经被引入，是WCDMA增强的一个重要特性。而在LTE中，MIMO被认为是达到用户平均吞吐量和频谱效率要求的最佳技术。

2 MIMO概述

MIMO技术是指在发射端通过多个天线传送无线电波信号，而在接收端使用多个天线接收信号的无线通信技术。它最初由无线电的发明者Marconi于1908年提出，通过在收发两端使用多个天线，可以抑制信道衰落，从而大幅度提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。

3 MIMO技术分类

3.1 空间复用

空间复用（Spatial Multiplexing）：系统将数据分割成多份，分别在发射端的多根天线上发射出去，接收端接收到多个数据的混合信号后，利用不同空间信道间独立的衰落特性，区分出这些并行的数据流。从而达到在相同的频率资源内获取更高数据速率的目的。

空间复用技术是在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，此时的空口信道容量随着天线数量的增加而线性增大，从而能够显著提高系统的传输速率，参见图1。

图1 空间复用的系统示意框图

使用空间复用技术时，接收端必须进行复杂的解码处理。业界主要的解码算法有：迫零算法（ZF），MMSE算法，最大似然解码算法（MLD），分层空时处理算法（BLAST，Bell Labs Layered Space-Time）。

其中迫零算法，MMSE算法是线性算法，比较容易实现，但对信道的信噪比要求较高，性能不佳；MLD算法具有很好的译码性能，但它的解码复杂度随着发射天线个数的增加呈指数增加，因此，当发射天线的个数很大时，这种算法是不实用的；综合前述算法优点的BLAST算法是性能和复杂度最优的。

BLAST算法是Bell实验室提出的一种有效的空时处理算法，目前已广泛应用于MIMO系统中。BLAST算法分为D-BLAST算法和VBLAST算法。

D-BLAST算法是由贝尔实验室的G.J.Foschini于1996年提出。对于D-BLAST算法，原始数据被分为若干子数据流，每个子流独立进行编码，而且被循环分配到不同的发射天线。DBLAST的好处是每个子流的数据都可以通过不同的空间路径到达接收端，从而提高了链路的可靠性，但其复杂度太大，难以实际使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改进的V-BLAST算法，该算法不再对所有接收到的信号同时解码，而是先对最强信号进行解码，然后在接收信号中减去该最强信号，再对剩余信号中最强信号进行解码，再次减去，如此循环，直到所有信号都被解出。

2002年10月，世界上第一颗BLAST芯片在贝尔实验室问世，这标志了MIMO技术走向商用的开始。

3.2 空时编码

传输分集技术，以空时编码（Space Time Coding）为代表：在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率。空时编码通过在发射端增加信号的冗余度，使信号在接收端获得分集增益。

空时编码通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接受端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。空时编码的系统框图参见图2。

图2 空时编码的系统示意框图

空时编码主要分为空时格码和空时块码。

空时格码在不牺牲系统带宽的条件下，能使系统同时获得分集增益和编码增益。但是当天线个数一定时，空时格码的解码复杂度随着分集程度和发射速率的增加呈指数增加。

为减小接收机的解码复杂度，Alamouti提出了空时块码（STBC）的概念，STBC使得接收端只需采用简单的线形处理进行解码，从而降低了接收机的复杂度。

3.3 波束成型

波束成型（Beam Forming）：系统通过多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，并减少对其他用户的干扰。

波束成型技术又称为智能天线（Smart Antenna），通过对多根天线输出信号的相关性进行相位加权，使信号在某个方向形成同相叠加（Constructive InteRFerence），在其他方向形成相位抵消（Destructive Interference），从而实现信号的增益，参见图3。

图3 定向智能天线的信号仿真效果

当系统发射端能够获取信道状态信息时（如TDD系统），系统会根据信道状态调整每根天线发射信号的相位（数据相同），以保证在目标方向达到最大的增益；当系统发射端不知道信道状态时，可以采用随机波束成形方法实现多用户分集。

4 MIMO技术在LTE的应用

综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得MIMO能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP组织也正是因为这一点，将MIMO技术纳入了HSPA+标准（R7版本）。

出于成本及性能的综合考虑，HSPA+中的MIMO采用的是2×2的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO的效用主要是用在下行，上行只是进行传输天线选择。

HSPA+中，MIMO规定了下行的Precoding预编码矩阵，包括4种形式：●空间复用（Spatial Multiplexing）。●空时块码（Space Time Block Coding）。●波束成型（Beam Forming）。●发射分集（Transmit Diversity）。在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选择使用。在HSPA+上行方面，MIMO技术有两种天线选择方案，即开环和闭环。●开环方案即TSTD（时分切换传输分集），上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落，参见图4。● 闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送，参见图5。

图4 开环天线选择方案

图5 闭环天线选择方案

结束语

随着无线通信系统的充分发展，语音业务已经不能够满足人们对高速数据业务的要求。提供网页浏览、多媒体数据传输以及其他类型的数据业务是发展无线通信系统和服务的一个重要目的。MIMO技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。我们相信，MIMO技术必将成为未来无线通信技术发展的一种趋势。

[1]张新程，田稻，等.LTE空中接口技术与性能

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