LTE中MIMO技術面臨的挑戰(zhàn)及其測試
隨著3GPPLTE技術標準化接近完成,可以說,高速無線接入離我們的生活已經(jīng)越來越近了。標準化的成熟對整個LTE產(chǎn)業(yè)是一個巨大的促進,對各個廠家產(chǎn)品開發(fā)的一致性上有了很好的保障。但還應該看到,標準的制定很大程度上基于仿真和以前產(chǎn)品的經(jīng)驗,因此標準中存在非常多的問題需要解決和進一步細化。在后期的工作中還要產(chǎn)業(yè)界付出極大的努力來確保整個產(chǎn)業(yè)的平穩(wěn)發(fā)展。
面對復雜的無線環(huán)境和諸多新技術,設備的實現(xiàn)是否能夠發(fā)揮LTE標準的預期性能,還是一個未知數(shù)。LTE標準定義了比3G標準更強的能力,但同時也對設備研發(fā)帶來了更大挑戰(zhàn)。正交頻分復用(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(tǒng)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(tǒng),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(fā)質量的保證程度比3G低,LTE設備的優(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層的實現(xiàn),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(tǒng)的性能更依賴于MAC層調度和資源分配算法的優(yōu)化。比如,3G系統(tǒng)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(tǒng)卻像個專業(yè)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(jīng)開發(fā)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(jīng)和一些開發(fā)進度較快的設備廠商簽訂了預商用網(wǎng)絡的合同,準備部署城市級別的LTE試驗網(wǎng)絡。
在大規(guī)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(fā)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(tǒng)采用了同一框架的自適應MIMO傳輸,可以根據(jù)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(fā)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(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3G 在頻域和空域進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技術的無線通信系統(tǒng),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(fā)射分集:通過在多個天線上重復發(fā)送一個數(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)空間復用:通過在多個天線上并行發(fā)送多個數(shù)據(jù)流,獲得復用增益,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,高相關性信道下,如果采用多流并行傳輸,會造成比較嚴重的數(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)這部分信息進行更加精確的發(fā)送控制。波束賦型就是這一應用的具體體現(xiàn)。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(shù)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(shù)據(jù)流用于多個用戶,而非單個用戶,用來提高系統(tǒng)用戶容量。空間多址技術有賴于用戶數(shù)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(fā)現(xiàn),兩種模式都可以使用多個數(shù)據(jù)流同時發(fā)送,但是兩種模式又有所區(qū)別。單用戶的多數(shù)據(jù)流實現(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)兩流的場景比較受限,對系統(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(shù)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(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。