田忠驛

（網(wǎng)優(yōu)雇傭軍工作室，重慶 400065）

1 引言

為了提升信道容量，應(yīng)對未來的流量增長，MIMO技術(shù)將不斷發(fā)展。本文從MIMO的基本原理出發(fā)，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(xié)作式MIMO）的技術(shù)發(fā)展過程，并與DIDO技術(shù)對比，理清MIMO技術(shù)的未來發(fā)展方向。

2 MIMO技術(shù)分類

MIMO指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)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(shù)可以提升系統(tǒng)容量，提高頻譜效率。MIMO技術(shù)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(shù)原理

廣義上講，MIMO技術(shù)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(shù)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(fù)雜的信號處理機(jī)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(fù)擔(dān)，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(qū)別于M UMIMO，通常把前面2種類型統(tǒng)稱為SU-MIMO。

MU-MIMO可以將多個終端聯(lián)合起來進(jìn)行空間復(fù)用，這樣不但可以有效提升系統(tǒng)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(shù)的門檻越來越高，想要實現(xiàn)MU-MIMO，仍有很多問題需要解決。

對于SU-MIMO，即使基站側(cè)可以不受限于天線數(shù)量，但在移動終端側(cè)也會由于成本和終端尺寸而受限于天線數(shù)量，從而限制了MIMO的發(fā)展。

3 MU-MIMO原理

對于MU-MIMO系統(tǒng)，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(guī)模的虛擬的MIMO信道系統(tǒng)。因此與SU-MIMO相比，需要從整個網(wǎng)絡(luò)的角度更宏觀地思考如何使用MU-MIMO來提升系統(tǒng)容量。

MU-MIMO是未來要實現(xiàn)的目標(biāo)，它的強(qiáng)大由NTT網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室的實驗結(jié)果給出了答案。NTT網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實驗室部署了一個16×16天線的MU-MIMO無線傳播測試環(huán)境，該實驗環(huán)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(jié)果測出的速率可達(dá)43.5～50bits/s/Hz（平均SNR為31～36dB），這就意味著，當(dāng)使用20MHZ無線帶寬時，峰值速率可達(dá)到870～1 000Mbps，而這一峰值速率會隨著天線數(shù)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(jié)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(yuǎn)遠(yuǎn)高出SU-MIMO。

在MIMO的3種類型中，MU-MIMO需要在基站側(cè)進(jìn)行資源分配，所以，預(yù)編碼技術(shù)（Precoding）和調(diào)度技術(shù)（scheduling）就尤其重要，前者可以提升空間分集和空間復(fù)用增益，而后者可以提升多用戶分集增益。通常認(rèn)為，采用閉環(huán)控制的預(yù)編碼技術(shù)比開環(huán)控制的預(yù)編碼技術(shù)可獲得更高的系統(tǒng)性能，因為閉環(huán)控制可以在發(fā)射端通過CSI（信道狀態(tài)信息）來優(yōu)化信號發(fā)射。

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

4 Co-MIMO技術(shù)

隨著移動數(shù)據(jù)流量的不斷上升，小區(qū)覆蓋半徑必然越來越小，對于頻率復(fù)用因子為1的LTE網(wǎng)絡(luò)，小區(qū)間的干擾必將越來越嚴(yán)重。針對于如何在有限頻率資源下進(jìn)一步提升小區(qū)邊緣性能和小區(qū)平均容量，已有人提出了Co-MIMO技術(shù)。

Co-MIMO技術(shù)實現(xiàn)了多個發(fā)射機(jī)間協(xié)作預(yù)編碼和調(diào)度，并在多個發(fā)射機(jī)之間高速共享信道信息。如圖3所示，通常把共同協(xié)作完成預(yù)編碼和調(diào)度的區(qū)域叫協(xié)作區(qū)域，這一區(qū)域通常由一個基站和多個RRE（Remote Radio Equipments，射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備）組成，協(xié)作區(qū)域里有多個小區(qū)且協(xié)作區(qū)域之間不會相交。

圖3 Co-MIMO技術(shù)原理

Co-MIMO技術(shù)能如何完成調(diào)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(jù)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(dāng)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(jìn)行該協(xié)作區(qū)域內(nèi)的預(yù)編碼和調(diào)度。

不過，Co-MIMO技術(shù)面臨著減少反饋信息和減小預(yù)編碼/調(diào)度的計算復(fù)雜性的巨大挑戰(zhàn)。

5 pCell的DIDO技術(shù)

美國Artemis Networks公司宣布發(fā)明了一種叫pCell的技術(shù)，該技術(shù)可實現(xiàn)連接的設(shè)備越多，網(wǎng)絡(luò)信號越強(qiáng)的功能。pCell技術(shù)專利的核心是DIDO（Distributed-Input-Distributed-Output，分布式輸入輸出）技術(shù)，其實就是運(yùn)用了MU-MIMO和Co-MIMO的技術(shù)原理。

如圖4所示，pCell技術(shù)的關(guān)鍵是需要將“個人小區(qū)”連接到同一個“DIDO Data Center”。需要發(fā)送的信息，首先傳輸?shù)健癉ata Center”，由“Data Center”處理之后，每個“個人小區(qū)”協(xié)同發(fā)送信號。在WIFI環(huán)境下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)直接發(fā)到相應(yīng)的AP，再由AP無線發(fā)射到接收終端，而PCELL技術(shù)多了一個DIDO Data Center ，數(shù)據(jù)不是直接發(fā)給相應(yīng)AP，而是先發(fā)送到DIDO Data Center進(jìn)行處理后再協(xié)同發(fā)送。

由圖4可知，DIDO Data Center是關(guān)鍵，它實現(xiàn)了無線協(xié)同發(fā)射、編碼集中處理和抗干擾技術(shù)。關(guān)于DIDO技術(shù)的具體細(xì)節(jié)，該公司并沒有過多提及，而在其技術(shù)白皮書有如下描述：

“測量目標(biāo)用戶與基站的多個DIDO分布式天線之間的鏈路質(zhì)量，使用鏈路質(zhì)量測量值來定義用戶群集；測量定義的用戶群集內(nèi)的每個用戶與每條DIDO天線之間的信道狀態(tài)信息CSI；基于該測量的CSI對用戶群集內(nèi)的每條DIDO天線與每個用戶之間的數(shù)據(jù)發(fā)射進(jìn)行預(yù)編碼。”

6 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增長，MIMO技術(shù)必將得到更廣泛的應(yīng)用，其發(fā)展也必將突飛猛進(jìn)。DIDO技術(shù)應(yīng)用了MU-MIMO和Co-MIMO技術(shù)，這進(jìn)一步驗證了MU-MIMO和Co-MIMO技術(shù)的重要性和可行性。

圖4 pCell網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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