MIMO技術的未來淺析

田忠驛

（網優雇傭軍工作室，重慶 400065）

1 引言

為了提升信道容量，應對未來的流量增長，MIMO技術將不斷發展。本文從MIMO的基本原理出發，淺析了從SU-MIMO（single-user MIMO，單用戶MIMO）到MU-MIMO（multi-user MIMO，多用戶MIMO）和Co-MIMO（cooperative MIMO，協作式MIMO）的技術發展過程，并與DIDO技術對比，理清MIMO技術的未來發展方向。

2 MIMO技術分類

MIMO指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號在相同的頻率下同時傳送。采用多天線的MIMO技術可以提升系統容量，提高頻譜效率。MIMO技術利用了無線電波在傳輸路徑中受建筑物或地面反射的特點，具體原理如圖1所示：

圖1 MIMO技術原理

廣義上講，MIMO技術分為3種類型：全向傳送、賦形波束（Beamforming）傳送和MU-MIMO。

圖2 MIMO技術分類

（1）全向傳送型是最基本的MIMO方法，這種方法需要在接收端移除干擾，并在終端采用復雜的信號處理機制來提升性能。

（2）賦形波束傳送類型中天線方向由賦形波束控制，減少了終端負擔，這種類型MIMO的重點是如何有效完成波束賦形。

（3）最后一種類型是MU-MIMO。區別于M UMIMO，通常把前面2種類型統稱為SU-MIMO。

MU-MIMO可以將多個終端聯合起來進行空間復用，這樣不但可以有效提升系統容量，還能保持終端處理簡單化。不過從前2種類型到MU-MIMO，技術的門檻越來越高，想要實現MU-MIMO，仍有很多問題需要解決。

對于SU-MIMO，即使基站側可以不受限于天線數量，但在移動終端側也會由于成本和終端尺寸而受限于天線數量，從而限制了MIMO的發展。

3 MU-MIMO原理

對于MU-MIMO系統，多個用戶終端的天線同時使用，多個用戶終端同時交換信息，這樣一來，基于大量的基站和用戶終端天線形成了一個大規模的虛擬的MIMO信道系統。因此與SU-MIMO相比，需要從整個網絡的角度更宏觀地思考如何使用MU-MIMO來提升系統容量。

MU-MIMO是未來要實現的目標，它的強大由NTT網絡創新實驗室的實驗結果給出了答案。NTT網絡創新實驗室部署了一個16×16天線的MU-MIMO無線傳播測試環境，該實驗環境由16陣元基站天線和帶4陣元天線的4個終端用戶組成，實驗結果測出的速率可達43.5～50bits/s/Hz（平均SNR為31～36dB），這就意味著，當使用20MHZ無線帶寬時，峰值速率可達到870～1 000Mbps，而這一峰值速率會隨著天線數量的增加而上升。然而，目前LTE 20M帶寬峰值理論最高下載速率僅為150Mbps。實驗結果表明，即使終端僅采用2或4個天線陣元，MU-MIMO的速率也遠遠高出SU-MIMO。

在MIMO的3種類型中，MU-MIMO需要在基站側進行資源分配，所以，預編碼技術（Precoding）和調度技術（scheduling）就尤其重要，前者可以提升空間分集和空間復用增益，而后者可以提升多用戶分集增益。通常認為，采用閉環控制的預編碼技術比開環控制的預編碼技術可獲得更高的系統性能，因為閉環控制可以在發射端通過CSI（信道狀態信息）來優化信號發射。

SU-MIMO的目標是提升小區最大頻譜效率和小區邊緣性能，但它無法提升多用戶分集增益。由于MUM IMO 實現多個用戶在空間上復用，它比SU-MIMO提供了更自由的空間維度，所以MU-MIMO的目標也更高級，它致力于提升小區平均頻譜效率。這一技術實現的難點在于如何在有限的信道反饋環境下提升小區平均頻譜效率、如何部署以能夠支持SDMA（Space Division Multiple Access，空分復用接入）的預編碼技術以及如何通過更低的計算復雜性來完成調度。

4 Co-MIMO技術

隨著移動數據流量的不斷上升，小區覆蓋半徑必然越來越小，對于頻率復用因子為1的LTE網絡，小區間的干擾必將越來越嚴重。針對于如何在有限頻率資源下進一步提升小區邊緣性能和小區平均容量，已有人提出了Co-MIMO技術。

Co-MIMO技術實現了多個發射機間協作預編碼和調度，并在多個發射機之間高速共享信道信息。如圖3所示，通常把共同協作完成預編碼和調度的區域叫協作區域，這一區域通常由一個基站和多個RRE（Remote Radio Equipments，射頻拉遠設備）組成，協作區域里有多個小區且協作區域之間不會相交。

圖3 Co-MIMO技術原理

Co-MIMO技術能如何完成調度？移動終端測量來自多個RRE的SINR（Signal to Inter-ference plus Noise Ratio，信號與干擾加噪聲比），移動終端識別最好SINR的RRE為主站，再根據一定的范圍值篩選較差的SINR的RRH為從站，并將這些從站的信道信息上報給主站。當每一個RRE都接收到了來自每個移動終端的反饋信息后，它將此信息報告給基站，基站將綜合這些信道信息進行該協作區域內的預編碼和調度。

不過，Co-MIMO技術面臨著減少反饋信息和減小預編碼/調度的計算復雜性的巨大挑戰。

5 pCell的DIDO技術

美國Artemis Networks公司宣布發明了一種叫pCell的技術，該技術可實現連接的設備越多，網絡信號越強的功能。pCell技術專利的核心是DIDO（Distributed-Input-Distributed-Output，分布式輸入輸出）技術，其實就是運用了MU-MIMO和Co-MIMO的技術原理。

如圖4所示，pCell技術的關鍵是需要將“個人小區”連接到同一個“DIDO Data Center”。需要發送的信息，首先傳輸到“Data Center”，由“Data Center”處理之后，每個“個人小區”協同發送信號。在WIFI環境下，網絡服務器的數據直接發到相應的AP，再由AP無線發射到接收終端，而PCELL技術多了一個DIDO Data Center ，數據不是直接發給相應AP，而是先發送到DIDO Data Center進行處理后再協同發送。

由圖4可知，DIDO Data Center是關鍵，它實現了無線協同發射、編碼集中處理和抗干擾技術。關于DIDO技術的具體細節，該公司并沒有過多提及，而在其技術白皮書有如下描述：

“測量目標用戶與基站的多個DIDO分布式天線之間的鏈路質量，使用鏈路質量測量值來定義用戶群集；測量定義的用戶群集內的每個用戶與每條DIDO天線之間的信道狀態信息CSI；基于該測量的CSI對用戶群集內的每條DIDO天線與每個用戶之間的數據發射進行預編碼。”

6 結束語

隨著網絡需求的不斷增長，MIMO技術必將得到更廣泛的應用，其發展也必將突飛猛進。DIDO技術應用了MU-MIMO和Co-MIMO技術，這進一步驗證了MU-MIMO和Co-MIMO技術的重要性和可行性。

圖4 pCell網絡結構圖

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