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2014/07/25
作者：冉莉
一、MIMO技术概述及发展
使用更有限的频带资源实现更高速率和更大容量是无线移动通信网络技术演进至今不断追求的终极目标，而多输入多输出（MIMO：Multiple-Input Multiple-Output）就是一种能显著提高频谱效率的关键技术，从而吸引了各大运营商及主流设备供应商的广泛关注和深入研究。
二、MIMO背景介绍
广义上的MIMO系统其实涵盖所有在发送端和接收端采用多根天线的无线通信系统。传统天线系统是采用单发单收（SISO），而MIMO系统可包括多发单收（MISO）、单发多收（SIMO）以及多发多收（MIMO）系统。其中在发送端采用多根天线可实现发射分集从而抑制衰落效应，也可以通过SDMA（Spatial Division Multiple Access，空分多址）来提高吞吐量；而在接收端采用多根天线可进行接收合并实现接收分集得到合并增益；如果发送端和接收端都采用多根天线，则在相同频率上每根天线可发送不同的数据流，这就是SM（Spatial Multiplexing，空分复用）技术。SM技术和传统的单流发送技术相比可以大幅度地提高单用户的峰值速率。在3GPP Rel7里所提到的MIMO就是特指使用SM （空分复用）方式的MIMO技术。
三、MIMO技术的优势
研究表明，在一个多径散射信道中，采用天线分集能够切实可行、有效的降低多径衰落的影响，即利用分集天线间衰落特性的非相关性使接收信号有效规避连续恶劣衰落的影响。这样，采用MIMO技术就能在原有的时间分集、频率分集之上，增加了新的天线分集增益。
传统SISO天线系统的容量服从香农信道容量公式
而采用天线分集的SIMO/MISO在SISO的接收/发送端增加了额外天线，并由此带来分集增益，系统容量为
而多发多收的MIMO系统容量为
可见传统SISO/SIMO/MISO系统的容量（频谱效率）与分集天线数目M和SNR是成对数关系的，而对MIMO系统来说，信道容量在相同的SNR下，可以和天线个数成线性正比关系。也就是说，在不提高发射功率的前提下，只要增加MIMO系统天线的个数，就可以获得系统容量成倍提高。而且MIMO技术是发送/接收端天线系统的在编码和信号处理上的改进，不以牺牲任何功率和频谱资源为代价。因此MIMO技术将直接给运营商带来诸多收益，包括增加系统容量、提高系统覆盖、提高高速数据业务覆盖、降低每语音及数据用户服务成本，以及保护运营商现有投资等。
四、基于MIMO技术的经济分析
HSPA下MIMO技术包括有提高阵列增益和分集增益的STTD和闭环发射分集模式TxAA，也包括支持多码流传输的PARC和D-TxAA技术。
1、各WCDMA/HSPA站点采用STTD或TxAA
采用这些空间处理技术的主要目的是提高接收信噪比及进一步提供可信传输能力，从这一角度，采用STTD或TxAA可以提高服务质量，并进一步提高系统覆盖范围，从而整体提高WCDMA/HSPA系统服务和支持能力。
2、各WCDMA/HSPA站点采用D-TxAA或PARC（以下以PARC 2x2为例）
（1）提高传输容量，降低高话务区域建网成本
随着数据业务的不断推广，尤其是手机电视、高速无线上网等业务的应用，用户对数据业务的需求不断高涨，在密集城区、热点等高话务区域网络的部署将受限于容量。另外由于数据业务的不对称性，容量的需求往往受限于下行。基于这些特点，以初始建网时R99与HSDPA混合组网为例，假设分配给HSDPA的功率比例为50%，通过研究我们知道使用PARC2x2将使单站点容量提升近20%。通过计算，在区域覆盖面积和容量需求不变的情况下，使用PARC2x2相比于1x2接收分集可以节省基站数目15%以上（未比较2x2 with 1x2），从而大大减少高话务区域建网成本。
（2）降低扩容成本
在已经有3G网络运营的情况下，随着3G网络应用的宣传和用户体验的提升，使得越来越多的用户使用3G业务，对网络容量的需求变的越来越迫切。在这种情况下，引入MIMO技术可实现低成本快速扩容。通过研究我们知道，在使用SIC接收机的情况下，使用PARC2x2可使扇区吞吐率提升40%-60%，特别是在多径环境较复杂的密集城区、城区、室内等微蜂窝情况下扇区吞吐率的提升接近60%，而这些微蜂窝恰恰就是容量需求较高的区域。所以在不增加载频和基站数目的情况下，通过使用MIMO技术作为扩容方案既可以满足容量的需求又可以大大减少扩容成本，真正实现低成本快速扩容。
（3）增加收发信机和天馈系统成本
MIMO的引入使得收发信机的处理过程变得更加复杂：基站必须支持2个独立的发射通道（两天线独立的编码，调制，扩频和发送）和两个空间数据流的上行反馈信令（CQI，ACK/NACK）处理，终端必须支持MIMO解调（LMMSE，SIC等算法）等。这些都将在一定程度上增加基站和终端成本，另外MIMO天线本身及天馈系统的安装也将比普通天线更加复杂。因此MIMO的引入也将在一定程度上增加基站和天馈系统成本。
五、基于OFDM-MIMO技术的组网分析
基于MIMO-OFDM技术的网络已成为3GPP LTE的首选网络，不仅如此，3GPP2的演进网络及WiMax网络都选择了MIMO-OFDM技术。该技术的优势及特点使无线网络形成了殊途同归之势，获得了业界的广泛共识。现在从市场需求，各种无线技术的性能比较，MIMO-OFDM技术特点与优势，MIMO-OFDM技术与其它技术复杂程度比较，基于MIMO-OFDM技术的网络结构，网络部署等多方位，多角度对MIMO-OFDM技术组网进行了分析研究，并得出了相应的结论。
业务及市场需求
移动通讯网络正在向着承载更高带宽的多媒体业务的方向迅速发展，如何向用户提供所需求的多种宽带服务是无线网络面临的最大挑战。历史的经验表明，要想在某种程度上准确把握和预测未来的业务需求是非常困难的。但是，从现阶段受欢迎且赢利前景好的业务出发，它们包括那些低时延的（例如像游戏等快速互动的应用）业务，高吞吐量的（如视频流）业务，需要高效率网络资源的（例如移动电视）业务，高速的文件上传，下载的（例如FTP）业务，或者更高安全要求的（例如VPN）业务等，这些业务的增长对无线传输速率的需求，对时延的要求等都将是3G网络所难以承载和满足的。
例如，随着广播电视业务由模拟向数字的过渡而正在兴起的移动电视业务，将会成为多媒体业务的重要应用之一。值得指出的是，对于基于WCDMA的3G网络来说，它有诸如MBMS的传输模式，该功能所能够提供的数据传输速率依赖于所分配给MBMS业务的功率。系统仿真结果表明，在90%覆盖可靠度的条件下，12% 的发射功率用于MBMS业务时能够提供64 kbps的传输速率。而若要提供256kbps的传输速率，则需消耗大约80%的发射功率。 即或是专用一个载频用来传输MBMS业务，256 kbps的传输速率也仅仅只能传输十分有限的广播电视节目，如若打算传输好几套或数十套数字式电视节目，现有的MBMS模式的数据传输速率似乎是远远不够的。必须对MBMS传输模式作出进一步改进。MBMS的改进发展方向可以综述为：
（1）在现有WCDMA系统的5 MHz信道上，使用多天线技术（MIMO）；
（2）使用未来的3G演进系统LTE（更宽传输信道，OFDM调制加MIMO等）提供MBMS业务。
正是在这样一个背景下，3GPP制定了LTE的演进路标。
六、MIMO技术和OFDM技术
OFDM的原理如图1所示，在AMC之后采用多个子载波构成并行数据信道，而其中每一子载波对应一定频率的正弦函数，把高速符号流转换成N个低速符号流，符号周期延长了N倍，因而远远长于信道的多径时延扩展，换句话说，OFDM的符号周期远大于数据符号周期。这个过程就是所谓的快速傅立叶变换，它能在多径信道条件下保持子载波之间的正交，避免了子载波间的干扰，而且收发信机的设计实现变得十分简单。
图1 OFDM技术原理
这里MIMO技术主要考虑的是多天线的空间分集和空间复用技术。从图2可以看出，MIMO是一个基于多天线的多发多收的天线技术。MIMO把用户高速数据流映射到多个低速数据流，每一个低速数据流可以进行独立的调整和编码，再利用多天线形成的并行信道以空间复用的方式发射与接收，从而达到提高数据传输速率和频谱效率，增大覆盖，改善QoS的目的。MIMO有三种主要的运行模式：STTD，SM（空间复用，主要是基于BLAST算法的空时编码）和PARC。它们各有不同的优势，除此之外，根据发射/接收天线数量的不同组合，MIMO可以形成多种不同的配置，比如2X1、2X2、4x1、4X2、4X4等等。
图2 MIMO工作原理
七、MIMO-OFDM技术
MIMO-OFDM技术是MIMO与OFDM两个技术的有机结合，其主要功能模块如图3所示，它的实现方式简单又能支持所有的MIMO配置。由于在每一个子信道上进行MIMO解码，其运算量和功率消耗都很低。在时域和频域二维空间进行导频设计可以使信道估计更准确的反映信道的变化。OFDM将宽带的信道分解成许多相互正交的子信道，MIMO可以在每个子信道进行独立的信号处理，因此可以简化频率选择性MIMO信道中的检测和均衡，MIMO技术可以在空间产生独立并行的信道同时传输多路数据流，并在每一个子信道上进行独立的调制编码，有效提高传输速率。
图3 MIMO-OFDM收发信机的主要功能模块
MIMO-OFDM的最大优点及性能表现在它能有效的抑制干扰，支持高阶调制编码，即便在非常高速移动的环境下。MIMO-OFDM可以在各个不同的信号处理阶段更好地利用所有的优点：编码适配，调制适配，基于子载波的MIMO编码，OFDM映射，MIMO模式选择的适配。其中STTD模式优化每个UE的CQI，因而改善和扩大覆盖范围，而SM模式建立空间的并行信道，从而增加吞吐量，基于反馈的信道状态的信息报告，优选MIMO模式可以达到优化覆盖和吞吐量的最佳效果。
八、基于MIMO-OFDM技术的LTE网络部署
MIMO天线的部署与在现有的无线网络中引入智能型天线（AAS）系统不同，智能型天线系统的部署通常需要更换现有的天线系统，智能型天线系统可能是更沉更大的新型天线系统，需要占据更大的空间，需要更多的馈线，增多的发射/接收链和放大器。在多数的城市环境中，由于站址的物理条件限制，使智能型天线系统的部署实施起来难度很大。
事实上，LTE MIMO-OFDM技术的优点是它可以以单独载波的形式重叠在现有的R99/HSDPA网络上，站址可以共享或复用，现有的天线系统也可以复用，不用更换就可以支持至少2x2的MIMO配置。如果现有天线系统是每个扇区一个交叉极化的天线，它由一路发射分支，两路接收分支。同样的天线可以被用来支持2x1和2x2的MIMO配置，只需部署ENodeB和具备MIMO-OFDM能力的UE就行。这是因为这两路交叉极化的天线可以支持MIMO发射和接收而不需要对天线系统做任何物理上的改变。如果现有的天线系统采用2列交叉极化的较大型号的天线，它同样可以用来支持4x1， 4x2和4x4 MIMO的配置。
从站址要求和网络平滑演进的角度来看，E-NodeB能与普通NodeB共站址。如果LTE网络在最初是以一个单独载波的方式部署R99/HSDPA网络上，一个具有LTE功能的板卡可以部署在NodeB上，即通过板卡升级的方式使现有网络平滑演进到LTE网络，而且GGSN可以通过软件升级的方式具备支持GGSN和ASWG双功能。
综上，MIMO技术的引入对LTE无线移动通信网络技术的长期演进及发展起到了积极的推动作用，对进一步提高频谱资源利用率，无线移动通信网络的数据传输速率及网络承载容量等各方面都具有较高的价值。
使用更有限的频带资源实现更高速率和更大容量是无线移动通信网络技术演进至今不断追求的终极目标，而多输入多输出（MIMO：Multiple-Input Multiple-Output）就是一种能显著提高频谱效率的关键技术，从而吸引了各大运营商及主流设备供应商的广泛关注和深入研究。
二、MIMO背景介绍
广义上的MIMO系统其实涵盖所有在发送端和接收端采用多根天线的无线通信系统。传统天线系统是采用单发单收（SISO），而MIMO系统可包括多发单收（MISO）、单发多收（SIMO）以及多发多收（MIMO）系统。其中在发送端采用多根天线可实现发射分集从而抑制衰落效应，也可以通过SDMA（Spatial Division Multiple Access，空分多址）来提高吞吐量；而在接收端采用多根天线可进行接收合并实现接收分集得到合并增益；如果发送端和接收端都采用多根天线，则在相同频率上每根天线可发送不同的数据流，这就是SM（Spatial Multiplexing，空分复用）技术。SM技术和传统的单流发送技术相比可以大幅度地提高单用户的峰值速率。在3GPP Rel7里所提到的MIMO就是特指使用SM （空分复用）方式的MIMO技术。
三、MIMO技术的优势
研究表明，在一个多径散射信道中，采用天线分集能够切实可行、有效的降低多径衰落的影响，即利用分集天线间衰落特性的非相关性使接收信号有效规避连续恶劣衰落的影响。这样，采用MIMO技术就能在原有的时间分集、频率分集之上，增加了新的天线分集增益。
传统SISO天线系统的容量服从香农信道容量公式
四、基于MIMO技术的经济分析
HSPA下MIMO技术包括有提高阵列增益和分集增益的STTD和闭环发射分集模式TxAA，也包括支持多码流传输的PARC和D-TxAA技术。
1、各WCDMA/HSPA站点采用STTD或TxAA
采用这些空间处理技术的主要目的是提高接收信噪比及进一步提供可信传输能力，从这一角度，采用STTD或TxAA可以提高服务质量，并进一步提高系统覆盖范围，从而整体提高WCDMA/HSPA系统服务和支持能力。
2、各WCDMA/HSPA站点采用D-TxAA或PARC（以下以PARC 2x2为例）
（1）提高传输容量，降低高话务区域建网成本
随着数据业务的不断推广，尤其是手机电视、高速无线上网等业务的应用，用户对数据业务的需求不断高涨，在密集城区、热点等高话务区域网络的部署将受限于容量。另外由于数据业务的不对称性，容量的需求往往受限于下行。基于这些特点，以初始建网时R99与HSDPA混合组网为例，假设分配给HSDPA的功率比例为50%，通过研究我们知道使用PARC2x2将使单站点容量提升近20%。通过计算，在区域覆盖面积和容量需求不变的情况下，使用PARC2x2相比于1x2接收分集可以节省基站数目15%以上（未比较2x2 with 1x2），从而大大减少高话务区域建网成本。
（2）降低扩容成本
在已经有3G网络运营的情况下，随着3G网络应用的宣传和用户体验的提升，使得越来越多的用户使用3G业务，对网络容量的需求变的越来越迫切。在这种情况下，引入MIMO技术可实现低成本快速扩容。通过研究我们知道，在使用SIC接收机的情况下，使用PARC2x2可使扇区吞吐率提升40%-60%，特别是在多径环境较复杂的密集城区、城区、室内等微蜂窝情况下扇区吞吐率的提升接近60%，而这些微蜂窝恰恰就是容量需求较高的区域。所以在不增加载频和基站数目的情况下，通过使用MIMO技术作为扩容方案既可以满足容量的需求又可以大大减少扩容成本，真正实现低成本快速扩容。
（3）增加收发信机和天馈系统成本
MIMO的引入使得收发信机的处理过程变得更加复杂：基站必须支持2个独立的发射通道（两天线独立的编码，调制，扩频和发送）和两个空间数据流的上行反馈信令（CQI，ACK/NACK）处理，终端必须支持MIMO解调（LMMSE，SIC等算法）等。这些都将在一定程度上增加基站和终端成本，另外MIMO天线本身及天馈系统的安装也将比普通天线更加复杂。因此MIMO的引入也将在一定程度上增加基站和天馈系统成本。
五、基于OFDM-MIMO技术的组网分析
基于MIMO-OFDM技术的网络已成为3GPP LTE的首选网络，不仅如此，3GPP2的演进网络及WiMax网络都选择了MIMO-OFDM技术。该技术的优势及特点使无线网络形成了殊途同归之势，获得了业界的广泛共识。现在从市场需求，各种无线技术的性能比较，MIMO-OFDM技术特点与优势，MIMO-OFDM技术与其它技术复杂程度比较，基于MIMO-OFDM技术的网络结构，网络部署等多方位，多角度对MIMO-OFDM技术组网进行了分析研究，并得出了相应的结论。
业务及市场需求
移动通讯网络正在向着承载更高带宽的多媒体业务的方向迅速发展，如何向用户提供所需求的多种宽带服务是无线网络面临的最大挑战。历史的经验表明，要想在某种程度上准确把握和预测未来的业务需求是非常困难的。但是，从现阶段受欢迎且赢利前景好的业务出发，它们包括那些低时延的（例如像游戏等快速互动的应用）业务，高吞吐量的（如视频流）业务，需要高效率网络资源的（例如移动电视）业务，高速的文件上传，下载的（例如FTP）业务，或者更高安全要求的（例如VPN）业务等，这些业务的增长对无线传输速率的需求，对时延的要求等都将是3G网络所难以承载和满足的。
例如，随着广播电视业务由模拟向数字的过渡而正在兴起的移动电视业务，将会成为多媒体业务的重要应用之一。值得指出的是，对于基于WCDMA的3G网络来说，它有诸如MBMS的传输模式，该功能所能够提供的数据传输速率依赖于所分配给MBMS业务的功率。系统仿真结果表明，在90%覆盖可靠度的条件下，12% 的发射功率用于MBMS业务时能够提供64 kbps的传输速率。而若要提供256kbps的传输速率，则需消耗大约80%的发射功率。 即或是专用一个载频用来传输MBMS业务，256 kbps的传输速率也仅仅只能传输十分有限的广播电视节目，如若打算传输好几套或数十套数字式电视节目，现有的MBMS模式的数据传输速率似乎是远远不够的。必须对MBMS传输模式作出进一步改进。MBMS的改进发展方向可以综述为：
（1）在现有WCDMA系统的5 MHz信道上，使用多天线技术（MIMO）；
（2）使用未来的3G演进系统LTE（更宽传输信道，OFDM调制加MIMO等）提供MBMS业务。
正是在这样一个背景下，3GPP制定了LTE的演进路标。
六、MIMO技术和OFDM技术
OFDM的原理如图1所示，在AMC之后采用多个子载波构成并行数据信道，而其中每一子载波对应一定频率的正弦函数，把高速符号流转换成N个低速符号流，符号周期延长了N倍，因而远远长于信道的多径时延扩展，换句话说，OFDM的符号周期远大于数据符号周期。这个过程就是所谓的快速傅立叶变换，它能在多径信道条件下保持子载波之间的正交，避免了子载波间的干扰，而且收发信机的设计实现变得十分简单。
图1 OFDM技术原理
图2 MIMO工作原理
七、MIMO-OFDM技术
MIMO-OFDM技术是MIMO与OFDM两个技术的有机结合，其主要功能模块如图3所示，它的实现方式简单又能支持所有的MIMO配置。由于在每一个子信道上进行MIMO解码，其运算量和功率消耗都很低。在时域和频域二维空间进行导频设计可以使信道估计更准确的反映信道的变化。OFDM将宽带的信道分解成许多相互正交的子信道，MIMO可以在每个子信道进行独立的信号处理，因此可以简化频率选择性MIMO信道中的检测和均衡，MIMO技术可以在空间产生独立并行的信道同时传输多路数据流，并在每一个子信道上进行独立的调制编码，有效提高传输速率。
图3 MIMO-OFDM收发信机的主要功能模块
八、基于MIMO-OFDM技术的LTE网络部署
MIMO天线的部署与在现有的无线网络中引入智能型天线（AAS）系统不同，智能型天线系统的部署通常需要更换现有的天线系统，智能型天线系统可能是更沉更大的新型天线系统，需要占据更大的空间，需要更多的馈线，增多的发射/接收链和放大器。在多数的城市环境中，由于站址的物理条件限制，使智能型天线系统的部署实施起来难度很大。
事实上，LTE MIMO-OFDM技术的优点是它可以以单独载波的形式重叠在现有的R99/HSDPA网络上，站址可以共享或复用，现有的天线系统也可以复用，不用更换就可以支持至少2x2的MIMO配置。如果现有天线系统是每个扇区一个交叉极化的天线，它由一路发射分支，两路接收分支。同样的天线可以被用来支持2x1和2x2的MIMO配置，只需部署ENodeB和具备MIMO-OFDM能力的UE就行。这是因为这两路交叉极化的天线可以支持MIMO发射和接收而不需要对天线系统做任何物理上的改变。如果现有的天线系统采用2列交叉极化的较大型号的天线，它同样可以用来支持4x1， 4x2和4x4 MIMO的配置。
从站址要求和网络平滑演进的角度来看，E-NodeB能与普通NodeB共站址。如果LTE网络在最初是以一个单独载波的方式部署R99/HSDPA网络上，一个具有LTE功能的板卡可以部署在NodeB上，即通过板卡升级的方式使现有网络平滑演进到LTE网络，而且GGSN可以通过软件升级的方式具备支持GGSN和ASWG双功能。
综上，MIMO技术的引入对LTE无线移动通信网络技术的长期演进及发展起到了积极的推动作用，对进一步提高频谱资源利用率，无线移动通信网络的数据传输速率及网络承载容量等各方面都具有较高的价值。
