MIMO技术的未来浅析

田忠驿

（网优雇佣军工作室，重庆 400065）

1 引言

为了提升信道容量，应对未来的流量增长，MIMO技术将不断发展。本文从MIMO的基本原理出发，浅析了从SU-MIMO（single-user MIMO，单用户MIMO）到MU-MIMO（multi-user MIMO，多用户MIMO）和Co-MIMO（cooperative MIMO，协作式MIMO）的技术发展过程，并与DIDO技术对比，理清MIMO技术的未来发展方向。

2 MIMO技术分类

MIMO指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，采用空间分集的方法使不同的信号在相同的频率下同时传送。采用多天线的MIMO技术可以提升系统容量，提高频谱效率。MIMO技术利用了无线电波在传输路径中受建筑物或地面反射的特点，具体原理如图1所示：

图1 MIMO技术原理

广义上讲，MIMO技术分为3种类型：全向传送、赋形波束（Beamforming）传送和MU-MIMO。

图2 MIMO技术分类

（1）全向传送型是最基本的MIMO方法，这种方法需要在接收端移除干扰，并在终端采用复杂的信号处理机制来提升性能。

（2）赋形波束传送类型中天线方向由赋形波束控制，减少了终端负担，这种类型MIMO的重点是如何有效完成波束赋形。

（3）最后一种类型是MU-MIMO。区别于M UMIMO，通常把前面2种类型统称为SU-MIMO。

MU-MIMO可以将多个终端联合起来进行空间复用，这样不但可以有效提升系统容量，还能保持终端处理简单化。不过从前2种类型到MU-MIMO，技术的门槛越来越高，想要实现MU-MIMO，仍有很多问题需要解决。

对于SU-MIMO，即使基站侧可以不受限于天线数量，但在移动终端侧也会由于成本和终端尺寸而受限于天线数量，从而限制了MIMO的发展。

3 MU-MIMO原理

对于MU-MIMO系统，多个用户终端的天线同时使用，多个用户终端同时交换信息，这样一来，基于大量的基站和用户终端天线形成了一个大规模的虚拟的MIMO信道系统。因此与SU-MIMO相比，需要从整个网络的角度更宏观地思考如何使用MU-MIMO来提升系统容量。

MU-MIMO是未来要实现的目标，它的强大由NTT网络创新实验室的实验结果给出了答案。NTT网络创新实验室部署了一个16×16天线的MU-MIMO无线传播测试环境，该实验环境由16阵元基站天线和带4阵元天线的4个终端用户组成，实验结果测出的速率可达43.5～50bits/s/Hz（平均SNR为31～36dB），这就意味着，当使用20MHZ无线带宽时，峰值速率可达到870～1 000Mbps，而这一峰值速率会随着天线数量的增加而上升。然而，目前LTE 20M带宽峰值理论最高下载速率仅为150Mbps。实验结果表明，即使终端仅采用2或4个天线阵元，MU-MIMO的速率也远远高出SU-MIMO。

在MIMO的3种类型中，MU-MIMO需要在基站侧进行资源分配，所以，预编码技术（Precoding）和调度技术（scheduling）就尤其重要，前者可以提升空间分集和空间复用增益，而后者可以提升多用户分集增益。通常认为，采用闭环控制的预编码技术比开环控制的预编码技术可获得更高的系统性能，因为闭环控制可以在发射端通过CSI（信道状态信息）来优化信号发射。

SU-MIMO的目标是提升小区最大频谱效率和小区边缘性能，但它无法提升多用户分集增益。由于MUM IMO 实现多个用户在空间上复用，它比SU-MIMO提供了更自由的空间维度，所以MU-MIMO的目标也更高级，它致力于提升小区平均频谱效率。这一技术实现的难点在于如何在有限的信道反馈环境下提升小区平均频谱效率、如何部署以能够支持SDMA（Space Division Multiple Access，空分复用接入）的预编码技术以及如何通过更低的计算复杂性来完成调度。

4 Co-MIMO技术

随着移动数据流量的不断上升，小区覆盖半径必然越来越小，对于频率复用因子为1的LTE网络，小区间的干扰必将越来越严重。针对于如何在有限频率资源下进一步提升小区边缘性能和小区平均容量，已有人提出了Co-MIMO技术。

Co-MIMO技术实现了多个发射机间协作预编码和调度，并在多个发射机之间高速共享信道信息。如图3所示，通常把共同协作完成预编码和调度的区域叫协作区域，这一区域通常由一个基站和多个RRE（Remote Radio Equipments，射频拉远设备）组成，协作区域里有多个小区且协作区域之间不会相交。

图3 Co-MIMO技术原理

Co-MIMO技术能如何完成调度？移动终端测量来自多个RRE的SINR（Signal to Inter-ference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比），移动终端识别最好SINR的RRE为主站，再根据一定的范围值筛选较差的SINR的RRH为从站，并将这些从站的信道信息上报给主站。当每一个RRE都接收到了来自每个移动终端的反馈信息后，它将此信息报告给基站，基站将综合这些信道信息进行该协作区域内的预编码和调度。

不过，Co-MIMO技术面临着减少反馈信息和减小预编码/调度的计算复杂性的巨大挑战。

5 pCell的DIDO技术

美国Artemis Networks公司宣布发明了一种叫pCell的技术，该技术可实现连接的设备越多，网络信号越强的功能。pCell技术专利的核心是DIDO（Distributed-Input-Distributed-Output，分布式输入输出）技术，其实就是运用了MU-MIMO和Co-MIMO的技术原理。

如图4所示，pCell技术的关键是需要将“个人小区”连接到同一个“DIDO Data Center”。需要发送的信息，首先传输到“Data Center”，由“Data Center”处理之后，每个“个人小区”协同发送信号。在WIFI环境下，网络服务器的数据直接发到相应的AP，再由AP无线发射到接收终端，而PCELL技术多了一个DIDO Data Center ，数据不是直接发给相应AP，而是先发送到DIDO Data Center进行处理后再协同发送。

由图4可知，DIDO Data Center是关键，它实现了无线协同发射、编码集中处理和抗干扰技术。关于DIDO技术的具体细节，该公司并没有过多提及，而在其技术白皮书有如下描述：

“测量目标用户与基站的多个DIDO分布式天线之间的链路质量，使用链路质量测量值来定义用户群集；测量定义的用户群集内的每个用户与每条DIDO天线之间的信道状态信息CSI；基于该测量的CSI对用户群集内的每条DIDO天线与每个用户之间的数据发射进行预编码。”

6 结束语

随着网络需求的不断增长，MIMO技术必将得到更广泛的应用，其发展也必将突飞猛进。DIDO技术应用了MU-MIMO和Co-MIMO技术，这进一步验证了MU-MIMO和Co-MIMO技术的重要性和可行性。

图4 pCell网络结构图

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[2] Steve Perlman, Antonio Forenza. Distributed-Input-Distributed-Output (DIDO) Wireless Technology A New Approach to Multiuser Wireless[Z]. 2011.

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