LTE中MIMO技术面临的挑战及其测试

随着3GPPLTE技术标准化接近完成，可以说，高速无线接入离我们的生活已经越来越近了。标准化的成熟对整个LTE产业是一个巨大的促进，对各个厂家产品开发的一致性上有了很好的保障。但还应该看到，标准的制定很大程度上基于仿真和以前产品的经验，因此标准中存在非常多的问题需要解决和进一步细化。在后期的工作中还要产业界付出极大的努力来确保整个产业的平稳发展。

面对复杂的无线环境和诸多新技术，设备的实现是否能够发挥LTE标准的预期性能，还是一个未知数。LTE标准定义了比3G标准更强的能力，但同时也对设备研发带来了更大挑战。正交频分复用(OFDM)和MIMO系统给LTE系统带来了空前充裕的四维空口资源———频域、时域、码域和空域，并在4个纬度上均可进行灵活地调度和自适应，使LTE系统蕴含了更强大的技术潜力。但能不能用好这些资源，管好这个灵活的系统，是一个需要解决的问题。

LTE标准巨大的灵活性，客观上造成了标准对设备开发质量的保证程度比3G低，LTE设备的优化更多地依赖于厂商的研发能力。LTE系统的灵活性更多地依赖MAC层的实现，因此在LTE标准中，单纯物理层技术对设备能力的保障程度较低，系统的性能更依赖于MAC层调度和资源分配算法的优化。比如，3G系统就像个傻瓜相机，即使不会照相的人也能照出比较满意的照片；而LTE系统却像个专业相机，会照相的人会照出比傻瓜机好得多的效果，但不会用的人照出的照片可能还不如傻瓜机。

中国和国际上的主要移动通信厂商均已经开发出TD-LTE或FDDLTE样机，并基于这些样机进行了一系列概念验证测试。某些比较激进的欧美运营商已经和一些开发进度较快的设备厂商签订了预商用网络的合同，准备部署城市级别的LTE试验网络。

在大规模商用之前，需要大量的测试实验工作。一方面要进一步验证技术的可行性，另一方面要在实际场景中验证各种技术的实用性，找出一套或若干套配置，来发挥LTE强大的功能。在若干急需解决的问题中，MIMO是LTE技术中最核心的技术之一。

1、LTE中的MIMO

技术LTE系统采用了同一框架的自适应MIMO传输，可以根据信道条件和需要自适应在空间分集、空分复用、波束赋型、空间复用和单天线发送各种模式之间转换，从而可以最大限度地利用实际信道的容量。相对双小区HSPA+(Duel-cellHSPA+)的2天线MIMO，LTE的MIMO传输最大可以支持4天线发送。如图1所示。

图1 LTE 相对3G 在频域和空域进一步挖掘了信道资源

LTE系统是迄今为止最全面地采用了MIMO技术的无线通信系统，与IEEE802.16e只主要采用了空间分集技术相比，LTE采用了各种MIMO传输模式。

1.1、下行MIMO模式

（1）发射分集：通过在多个天线上重复发送一个数据流的不同版本，获得分集增益，用来改善小区的覆盖，适用于大间距的天线阵。
（2）空间复用：通过在多个天线上并行发送多个数据流，获得复用增益，用来提高峰值速率和小区吞吐量。该模式多流数据的发送有赖于空间信道的特性，高相关性信道下，如果采用多流并行传输，会造成比较严重的数据流与数据流之间的干扰，从而降低系统性能。
（3）波束赋型：通过在多个天线阵元的波干涉，在指定的方向性能能量集中的波束，获得赋形增益，用来改善小区覆盖，适用于小间距的天线阵。该模式主要针对TDDLTE系统。在TDD系统中，基站可以利用信道的互易性获得部分下行信道信息，基站可根据这部分信息进行更加精确的发送控制。波束赋型就是这一应用的具体体现。波束赋型技术是3G的智能天线技术的扩展，波束赋型技术的应用使得LTE可使用的物理天线数上升到8根。
（4）空间多址：和空间复用机理相似，只是多个并行数据流用于多个用户，而非单个用户，用来提高系统用户容量。空间多址技术有赖于用户数量和分布，对于城市热点覆盖和接入用户比较多的情景，该模式有很大的实施空间。对比单用户空间复用和空间多址两种模式，可以发现，两种模式都可以使用多个数据流同时发送，但是两种模式又有所区别。单用户的多数据流实现受信道相关性和信道质量限制严重，只有在天线间相关度比较低，信道质量很好的条件下，空间复用才会使用多数据流传输。由于手机端接收天线距离较小，天线间信道相关度较大，从而实现两流的场景比较受限，对系统容量提升不是十分明显。反观空间多址多用户MIMO模式，每个用户反馈一个流的信道质量信息和预编码矩阵。在基站侧，通过MAC的调度算法来完成用户的配对及速率匹配算法。每次都会应用多流传输，在用户数量比较多、用户间信道相关度比较低的情景下，会有较大的性能提升。

1.2、上行MIMO模式

空间多址：上行由于受到终端发送天线和发送功放的数量限制，只支持空分多址模式。

2、LTE中MIMO技术遇到的挑战

面对如此多的MIMO模式，如何很好地应用，可以说是一个巨大的挑战。

2.1、反向控制信息受限

基站和手机要实现各种模式，需要基站与手机端的大量控制信息交换，而控制信息的质量直接影响到MIMO实现的效果。在下行天线模式中，所有MIMO技术均需要信道质量指示（CQI），空间复用和空间多址技术还需要信道状态信息（CSI）来进行基站端发送预编码的控制。空间复用和空间多址技术被认为是MIMO中频谱利用率最高、最能体现多天线特性的技术。这两种模式的应用很大程度上要依赖信道状态信息的准确性。信道状态信息的准确性体现在基站端精确获得手机接收时刻的信道状况。信道状态信息越准确，基站端的预编码控制就越精确。对于FDDLTE系统而言，三项因素制约了基站端的信道信息精确程度：第一是手机的处理能力，受参考信号设计和手机端算法影响，信道估计的准确度十分有限。第二，受反方向信道限制，基站端收到的信道状态信息总是手机端信道状态信息的量化版本。第三，由于反向信道传输延时，基站端信道状态信息是手机端的延时版本。以上三点对空间复用和空间多址技术的实现效果影响很大，尽管设计过程中对反馈码本选择和实现算法上进行了大量研究，最终的实际效果还需要大量的验证工作。

对于TDDLTE系统，从理论上说，基站端在一定程度上可以利用信道的互易性，从上行信道获得部分下行信道信息，但是信道互易性能带来的好处在实际中的作用仍然不明朗，或者说对于TDDLTE系统，基于信道互易性的波束赋型技术能否取得预期的效果仍有待实际验证。

2.2、应用存在巨大不确定性

由于引入了空间和频率维度，LTE系统看似引入更多模式以匹配复杂的无线环境，但实际上也加大了对无线环境复杂性的适应难度。与3G系统相比，LTE系统是宽带系统，在频率域的接收算法上遇到了更大的挑战，传统的最大信噪比合并（MRC）等窄带接收机算法不能满足要求，需要更加复杂的接收算法。

对于空间维度，LTE系统每个频段上的信道特性不同，在每个频带上要分别进行天线模式的控制时，要考虑信道质量好坏，也要考虑信道的相关性，还要综合终端移动速度和信道变化等各项因素。有时为了减轻反向传输压力，LTE系统还要采用宽带控制信号传输，使得MIMO效果也有所折扣。因此有很多人认为，在实际应用中，闭环的空间复用技术相对于开环的发送方式增益不大。

对于空间多址而言，理论上可以利用用户间信道的不相关性形成更好的多流传输，从而进一步大幅提高系统容量。但是，受反向信道限制，每个用户反馈的是部分信道信息。标准并没有对多用户的MIMO调度算法本身作出规定，如果反馈不精确，MAC层匹配不好，会发生比较大的用户数据流与数据流间干扰，反而使性能大幅下降。由此可以看出，对相对复杂的无线环境，LTE系统想做到很好的匹配还有非常多的工作要做。

2.3、MIMO模式切换问题

LTE系统中有7种天线模式，模式之间及每个模式内部都有发送方式的切换问题。面对这么多种模式，标准并没有规定每种模式的应用场景与切换方式，模式间与模式内的切换由上层信令决定，这也意味着MAC层的控制将直接对系统性能起决定性影响。对于基站而言，由于多天线产品的多样化，如垂直极化天线、交叉极化天线等的应用，使得信道更加复杂，每种天线形态对应的天线模式更是不尽相同。换句话说，这给厂家留下巨大的灵活度。对于基站，天线发送模式要根据信道变化而变，对于FDDLTE系统，基站端信道信息的获得主要通过手机端反馈获得，手机如何反馈如此丰富的信道信息始终是个疑问。如果系统不能很好地解决这个问题，LTE的性能发挥将受到很大影响。对于TDDLTE系统，波束赋型技术的实际效果还有待验证。但是在整个产业的初期阶段，由于MIMO灵活性大带来的不确定因素过多，给各厂家的开发也带来了不小的困难。产业的成熟很大程度上需要靠大量的实验不断地给系统的优化提供依据和方向。下面将介绍一些针对MIMO的测试技术。

3、MIMO技术测试

对整个LTE系统的测试一般分为室内测试与室外测试两部分。室内测试阶段主要关注基站和手机一些基本功能的实现和系统静态性能，如最大传输速率、衰落信道下链路性能、多天线和频域调度技术实现、随机接入功能等。室内测试是对设备的基本处理能力的检验，也是对进行外场测试的准备。室外测试阶段将验证在外场实际的复杂无线环境下LTE系统的性能。

3.1、室内测试

室内测试需要基站厂家准备测试基站（eNB）、测试终端（UE）、测试用仪表等实验设备和环境。测试仪表主要有频谱分析仪和信道模拟仪。频谱分析仪一般用作辅助测试仪表，可以用来监测信号发送频段、调制方式等信息，十分便捷。信道模拟仪用来模拟实际的信道环境，由于是测试MIMO性能，因此信道模拟仪需要支持多通道以模拟多天线传输。此外，测试中还需测试用的相关检测软件，如吞吐量检测软件。

MIMO的测试分为下行与上行，上行主要是单发多收（SIMO）。图2与图3分别给出MIMO下行与上行的测试图。下行的MIMO增益主要体现在不同的信道条件下不同MIMO方案的系统吞吐量。对于MIMO技术的测试，需要信道模拟仪制造不同的信道衰落条件。这些条件包括：
·不同的信道类型。信道类型一般包括加性白高斯噪声（AWGN）、步速3km/h低速信道、车速30km/h和车速120km/h等。
·不同的信道相关性。信道相关性分为高相关性、中相关性与低相关性。
·不同的信道信噪比（SNR）。

室内测试虽然可以对MIMO性能进行类似于仿真似的初步验证，但是远不能模拟复杂室外环境的影响。从图2可以看出，UE到eNB的连接采用直连方式。采用直连的原因在于关注下行性能，看信道的变化对下行容量的影响。但是在实际的应用中，反向的UE到eNB的信道条件与前向相比更加恶劣。这既受UE的发射功率影响，也受上行链路诸如上行资源分配的影响。此外，信道模拟仪虽然可以部分模拟信道相关性和时变性，但是只能涵盖有限的应用场景，甚至只能代表部分理论结果，与实际场景相差依然较远。

在室内测试阶段还有两个难点：一个是波束赋型的测试，另一个是空间多址的测试。现阶段的信道模拟仪表多为2入2出，对于波束赋型的测试需要信道模拟仪至少模拟4×2出甚至8×2出的信道，这对测试仪器本身也是一个巨大挑战。而且对于TDDLTE，由于要利用信道的互易性得到波束赋型所需的部分信道信息，这意味着上行也要连接信道模拟仪，但是即使上行信道也引入信道模拟仪，如何模拟信道互易性是另一个需要解决的问题。对于空间多址的测试需要基站同时连接多部终端，如果每部终端都需要连接不同的信道模拟仪，对测试设备数量的要求将大大提高，在LTE产业初期，这也是很难做到的。

3.2、室外测试

室外对于LTE 中MIMO 技术的测试仍然是一个技术难点。主要有以下原因：

第一，外场无线环境复杂，不可控性强。室外测试中的信道受实际各因素影响，变化方式和组合多种多样，难以通过人为方式改变。如在实际道路中，车速一项因素就受测试所在场地所限，所谓的匀速行驶基本不存在，而是根据不同的路况实际决定。

第二，与室内阶段相比，室外阶段的信道可控制程度相差很远。我们可以通过控制与基站距离和遮挡来粗略控制信道的信号与干扰和噪声比（SINR），但是不可能精确掌控信道间的相关性。在信道相关性这一点上，我们可以说是无能为力，因为一旦接收天线的距离给定，信道的相关性变化调节几乎是不可能的。这一点对于MIMO测试可以说是相当不利。由于信道相关性的不可控，如果进行固定天线模式的测试，并若以信道吞吐量等关键指标对系统性能进行测试，信道相关性对MIMO性能的影响将很难评估。

第三，对MIMO 性能如何衡量。室外测试中，测试结果受多项因素影响。如果仅以吞吐量等简单性能指标作为衡量标准，难以对MIMO 技术做全面评价。我们如何建立一套对MIMO 技术全面的实际评价体系仍值得探讨。

第四，测试终端限制。对于整个产业而言，终端的限制几乎伴随了整个无线通信产业的发展，终端的发展往往滞后于基站的发展。终端发展的落后使得基站成熟也受到很大影响。对于MIMO 技术的实现而言，终端性能受限，将对MIMO 技术的应用产生巨大影响，如空间复用模式中，如果SINR 不达到一定程度，多流的应用将难以实现。

作者：
刘晓峰，工业和信息化部电信研究院通信标准研究所工程师
沈嘉，工业和信息化部电信研究院通信标准研究所高级工程师