向LTE演進(jìn)，多天線漸顯優(yōu)勢(shì)

本刊記者 | 魯義軒

對(duì)話嘉賓：

江蘇郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司研究院院長 朱晨明

廣東電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 劉德全

大唐移動(dòng)市場營銷部市場總監(jiān) 劉龍山

在3G持續(xù)優(yōu)化和4G演進(jìn)格局下，面對(duì)頻譜資源的嚴(yán)重不足、大流量業(yè)務(wù)的激增，在天線等配套設(shè)備上引入新技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)營商作為重點(diǎn)工程。此前針對(duì)TD智能天線，中國移動(dòng)在3G深度優(yōu)化上提出了天線小型化、雙極化、寬帶化和電調(diào)化的“四化”要求。

在后3G時(shí)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(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用也被提上日程，獲得運(yùn)營商和產(chǎn)業(yè)鏈重視。

但對(duì)于業(yè)界熱議的MIMO優(yōu)勢(shì)，中國移動(dòng)地方運(yùn)營商人士并非同樣樂觀，在該人士看來，TD運(yùn)營的兩年來，智能天線并沒有達(dá)到原來設(shè)計(jì)的效果，先進(jìn)的技術(shù)在現(xiàn)網(wǎng)中的應(yīng)用并不是一帆風(fēng)順。

圍繞MIMO技術(shù)特性和應(yīng)用關(guān)鍵，本刊邀請(qǐng)多位技術(shù)專家來一同解讀。

革命性的MIMO技術(shù)

《通信世界周刊》：在3G深入優(yōu)化以及向4G演進(jìn)的過程中，業(yè)界頻繁提到多天線技術(shù)的應(yīng)用。該技術(shù)比以往的天線技術(shù)先進(jìn)在哪里？

朱晨明：多天線技術(shù)（MIMO）是天線分集與空時(shí)處理技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，源于天線分集與智能天線技術(shù)，具有二者的優(yōu)越性。MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上是為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益，空間復(fù)用技術(shù)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(huì)引起衰落，因而被視為有害因素，然而對(duì)于MIMO來說，多徑可以作為一個(gè)有利因素加以利用，MIMO技術(shù)的關(guān)鍵是能夠?qū)鹘y(tǒng)通信系統(tǒng)中存在的多徑衰落影響因素變成對(duì)用戶通信性能有利的增強(qiáng)因素，能夠在不增加信號(hào)帶寬的前提下使無線通信的性能改善幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

劉德全：在3G深入優(yōu)化以及向4G演進(jìn)的過程中，各種技術(shù)都是在想方設(shè)法提高空中接口的效率，MIMO技術(shù)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(shí)現(xiàn)的。

LTE系統(tǒng)中采用了MIMO技術(shù)，可以用在室外宏站中，也可以用在室內(nèi)分布系統(tǒng)中。在室外宏站中，采用多陣元天線構(gòu)成的MIMO雙極化板狀天線。室內(nèi)分布系統(tǒng)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(jìn)，雙極化吸頂天線也將逐步成熟，屆時(shí)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(shù)量，減小施工難度。

劉龍山：在目前的3G快速發(fā)展階段，TD網(wǎng)絡(luò)中的天線技術(shù)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(jīng)非常成熟。對(duì)于智能天線的優(yōu)化，我們也提出過一些方案，例如TD網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化有時(shí)需要調(diào)整天線方位角，以前的方法是通過人工對(duì)天線進(jìn)行機(jī)械調(diào)整，現(xiàn)在則可以通過軟件來遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)電子調(diào)節(jié)。

多天線技術(shù)帶來的天線分集和賦形增益，可以有效擴(kuò)大系統(tǒng)覆蓋范圍，顯著提高信號(hào)質(zhì)量；同時(shí)，多天線MIMO技術(shù)可以利用空間復(fù)用增益，顯著提升上下行吞吐量，適合于承載大流量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

MIMO的兩大特征

《通信世界周刊》：實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率和增大系統(tǒng)的覆蓋范圍，是否可以視為是多天線技術(shù)的兩大目的？

朱晨明：信道容量隨著天線數(shù)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(fā)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(shù)還可以提高網(wǎng)絡(luò)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(qū)覆蓋半徑；在復(fù)用模式下，通過提升小區(qū)邊緣速率獲得的分集增益來提升小區(qū)覆蓋半徑。

但值得注意的是，MIMO可以增加系統(tǒng)的覆蓋范圍也會(huì)犧牲部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率，而M IM O技術(shù)的應(yīng)用最終目的是解決系統(tǒng)容量，提升頻譜效率，因此實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率是多天線技術(shù)的主要目的，而增大系統(tǒng)的覆蓋范圍并不是MIMO技術(shù)的主要目的。

劉德全：MIMO可以同時(shí)發(fā)送和接收多個(gè)空間流，提高信道容量。同時(shí)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(shù)據(jù)傳輸速度，實(shí)現(xiàn)了高頻譜利用率，同時(shí)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(shù)最明顯的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。事實(shí)上現(xiàn)在的智能天線已經(jīng)在向這樣的方向發(fā)展。多天線技術(shù)復(fù)雜度較高，業(yè)界對(duì)于在3G階段是否引入MIMO多天線也有過討論，最終一致認(rèn)為，從技術(shù)上和效益上，在TD-LTE時(shí)代引入MIMO多天線更為合適。

在硬件設(shè)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(shè)備。例如大唐的8天線雙流波束賦形已經(jīng)可以使智能天線在基帶處理單元上通過軟件升級(jí)支持多天線MIMO技術(shù)。

MIMO技術(shù)的應(yīng)用場景

MIMO技術(shù)主要通過3種方式來提升無線傳輸速率及品質(zhì)：空間復(fù)用；傳輸分集；波束成型。

空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無法使用高階調(diào)制方式，如16QAM等。無線信號(hào)在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會(huì)頻繁反射，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，在這種場景下空間復(fù)用的優(yōu)勢(shì)比較明顯。

無線信號(hào)在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，如果采用空間復(fù)用效果要差許多。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號(hào)增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統(tǒng)。波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì)收到太多路徑的信號(hào)，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳；另一方面，大量的多徑信號(hào)會(huì)導(dǎo)致DOA信息估算困難。（朱晨明）

3G網(wǎng)絡(luò)不適合MIMO

《通信世界周刊》：不同3G技術(shù)的演進(jìn)上，多天線技術(shù)的成熟度和應(yīng)用特點(diǎn)是否也不同？

朱晨明：經(jīng)過多年的研究，MIMO技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，但還有許多實(shí)際問題需要解決，如天線的數(shù)量和距離、接收機(jī)的復(fù)雜性、MIMO信道模型等，MIM O的成熟及大規(guī)模商用還有很長的一段路要走。

MIMO還未在3G網(wǎng)絡(luò)上得到應(yīng)用，具體原因主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

天線問題。在MIMO的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，天線的數(shù)目和間距是重要的系統(tǒng)參數(shù)。具有多天線的基站更多地關(guān)注環(huán)境，因此，天線元的數(shù)目被限制在恰當(dāng)?shù)臄?shù)目，比如說四根天線。而對(duì)于終端而言，1/2波長間距足夠保證非相關(guān)衰落。可以設(shè)想終端天線的最大數(shù)為四根，當(dāng)然，兩根天線實(shí)現(xiàn)的可能性更大。間距參數(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)MIMO的高頻譜效率尤其重要。然而，對(duì)于手機(jī)而言，安裝兩根天線可能是個(gè)問題。這是因?yàn)槟壳笆謾C(jī)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是把天線放入蓋子里以改進(jìn)外表的吸引力，這就使得間隔的要求近乎苛刻。

接收機(jī)復(fù)雜度的問題。首先，接收機(jī)中對(duì)MIMO信道的估計(jì)使得復(fù)雜度增加。另外，復(fù)雜度還來自特別的RF、硬件和接收機(jī)高級(jí)分離算法。M IM O接收機(jī)應(yīng)該是雙模的，以支持非M IM O模式。在M IM O模式時(shí)，接收機(jī)的每根天線使用一個(gè)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(shí)合并器和檢測器。這些附加需求使得四發(fā)四收MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜度大約是單天線接收機(jī)的兩倍。由于M IMO接收機(jī)環(huán)境的時(shí)延擴(kuò)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(huì)進(jìn)一步加大接收機(jī)的復(fù)雜度。

劉德全：從理論上來說，3G系統(tǒng)可以選擇采用M IM O技術(shù)，但是考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等問題，目前我國正在運(yùn)營的3G系統(tǒng)都沒有采用MIMO技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)采用了智能天線技術(shù)，這種技術(shù)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(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，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(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)，但沒有實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，不是MIMO技術(shù)。WCDMA系統(tǒng)也進(jìn)行了MIMO的標(biāo)準(zhǔn)化工作，但運(yùn)營中沒采用多天線技術(shù)。

江蘇郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司研究院院長朱晨明

廣東電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司劉德全

大唐移動(dòng)市場營銷部市場總監(jiān)劉龍山

劉龍山：目前在技術(shù)上，TD網(wǎng)絡(luò)引入MIMO多天線技術(shù)更加靈活。WCDMA和cdma2000將走向LTE FDD，LTE FDD也會(huì)用到多天線技術(shù)，但TDD更有靈活性。多天線MIMO技術(shù)的實(shí)現(xiàn)涉及到信道狀態(tài)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(shí)現(xiàn)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(shù)更適合在LTE以及4G中發(fā)揮作用？

朱晨明：MIMO將在LTE以及4G中得到廣泛應(yīng)用。

針對(duì)LTE以及4G時(shí)代的高傳輸速率，必須采用一些具有高頻譜利用率的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。MIMO技術(shù)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(yōu)點(diǎn)提高系統(tǒng)性能。在WCDMA協(xié)議中，可使用6種分集發(fā)射方法，基站有2個(gè)發(fā)送天線，其本質(zhì)是MIMO的空間分集?；久總€(gè)天線到手機(jī)的信號(hào)通過正交碼來區(qū)分。另外，在3GPP的HSDPA中提出了使用MIMO天線系統(tǒng)，此系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線。

與傳統(tǒng)天線相比，MIMO由于采用多天線，提高信道容量的優(yōu)勢(shì)非常明顯，但是M IMO接收機(jī)設(shè)計(jì)的最明顯的劣勢(shì)是復(fù)雜度高。

因此雖然從理論上來說，TD-SCDM A系統(tǒng)和WCDMA系統(tǒng)都可以選擇采用MIMO技術(shù)，但是考慮到實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度等問題，3G運(yùn)營中并沒采用多天線技術(shù)。MIMO與OFDM結(jié)合將會(huì)是4G最佳選擇。

劉龍山：多天線技術(shù)MIMO技術(shù)主要將在TDLTE實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。目前，大唐移動(dòng)已經(jīng)與中國移動(dòng)研究院展開合作，針對(duì)中國移動(dòng)在全國范圍鋪開的TD網(wǎng)絡(luò)，8天線雙流賦形技術(shù)可以使其智能天線在后續(xù)發(fā)展上，平滑升級(jí)到TD-LTE，大大減少工程施工量。

在今年即將展開的TD-LTE規(guī)模試驗(yàn)中，8天線技術(shù)將廣泛采用，大規(guī)模的應(yīng)用可以對(duì)該技術(shù)進(jìn)行全面驗(yàn)證和進(jìn)一步增強(qiáng)。