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摘 要：目前，MIMO技术的研究已经从点对点的单用户扩展到点对多点的多用户MIMO技术，该技术的使用能极大提高系统吞吐量，使得误码率大大降低，在 LTE 通信系统有着更强大的技术运用潜力。
关键词： MIMO技术；LTE；应用；问题
在 LTE 通信系统中，为了提高系统容量和数据传输速率，LTE 通信系统运用了多输入多输出（MIMO）技术发展模式，该模式包括了传输分集、波束赋形以及空间复用。MIMO通信技术运用了空间之间的弱相关性来提高通信信道的容量和信息传输的可靠性，使得误码率大大降低。
1、LTE中的MIMO技术
2006 年初国家开始制定 MIMO 与 LTE 之间的协议，MIMO 通信技术从开始就发展成为LTE 中提升频谱传输效率的关键技术。
MIMO 通信系统和正交变频复用 （OFDM）这两项技术在时域、空域、码域和频域四个方面帶来巨大的资源空间范围，并能在 4 个相关纬度之间进行灵活调度和自相适应。其在发端与末端均运用多天线单元模式、先进的信号处理与无线传输技术，进行无线信道的多途径传播，建立空间并行传输通道，开发技术空间资源，在不增加发射功率与带宽的前提下，提高无线通信的数据速率及质量，堪称为现代通信技术领域很重要的技术突破。
2、MIMO技术在LTE中的应用
2.1MIMO技术的应用优势
LTE 通信系统采用多天线 MIMO 技术模式，LTE系统最基本的天线配置为上行 1*2 （Single Transmitter Double Receivers）和下行 2*2 （DoubleTransmitters Double Receivers）。LTE通信天线最高配置为 4*4 （QuadruplexTransmitters Quadruplex Receivers）。3GPP LTE通信技术的改进目标为更短的时延、更低的成本、更高的系统容量、改进的覆盖范围及更高的传输数据速率。主要性能目标为：信息系统支持 100km 半径的小区半径；小区信息容量进一步提高，其边缘用户的通信性能得到的改善；在 20MHz 频谱带宽能够提供上行 50Mbit/s和下行 100Mbit/s的峰值速率强度；小区边缘比特率得以提高，在保持基站位置相对不变的情况下提高小区边缘比特率；提高频谱效率，其系统支持下行链路 5（bit/s）/Hz，是 R6 HSUPA（High SpeedUplink Packet Access，高速上行分组接入）3 至 4 倍。上行链路 2.5（bit/s）/Hz（2至 3 倍于 R6 HSDPA），该系统在整体架构上会基于分组频谱交换，以分组域业务为发展目标。
空间复用技术是在频域和时域之外慢慢发展起来的，寻找另一种维度（空域维度）实现突破，系统发射端将不同的数据流信息传输分配到多个独立的空间信道上进行传输，这些通信信息在接收端运用空域维度来进行区分，这种通信接收技术运用了空间弱相关性。该种信息技术在新到条件比较好的情况下，也就是小区信噪比比较高的前提下能够大幅度的提高信道容量传输数据的峰值速率，MIMO技术在此基础上不断实现突破。
首先，MIMO无线通信技术的优势已非平常智能天线所能比拟。智能天线运用加权算法驱动波束为导向，将能量聚集到期望方向来提高信噪比，抑制多径传播，而不是加以利用。对于MIMO通信系统技术，若该系统M副接收天线与N副发射天线发展而成的无线链路M×N信道矩阵模式元素完全独立，该系统容量随着最小智能天线数目线性增长，而不是运用智能天线下的对数增长模式。如果天线的成本和空间与射频通道不受限制的话，MIMO通信系统就能够提供无限大的技术容量，这是时间维度和空间维度充分结合的成果，也就是采用空时编码并利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。
此外，MIMO通信技术运用了无线信道多径传播的固有性质：假如在发送与接收两个端口采用多天线系统模式，只要各天线单元的间距够大，无线信道的散射传播途径分量足够丰富的话，各对发-收天线单元之间的多径衰落就会趋于独立，各对等效发-收天线之间无线传输信道技术趋于独立形式，这些同时间、同信道、同频率特征码相互之间的子信道就会趋于正交。具有M副接收天线与N副发射天线的M×NMIMO系统模式，其系统发展模式日益成熟。
最后，该系统发射数据流S发展为N路子数据流，在信息调制与射频前端对数据处理后以对等的频率分别运用N副天线发射出去。通过无线信道的散射传播途径，并行子数据流从不同传播路径到达无线接收机，由M副天线无线接收，接收机运用先进通信信号处理技术对各种接收信号进行数据处理，这种恢复原始数据流MIMO传输技术模式被称为多输出多输入技术，其通信原理是运用多根天线的发和收。系统发射端运用多天线的阵列发射频率信号。其接收端运用多天线阵列接收信号模式，接收端运用复用和分集等相关技术增加了接收增益。由于该技术运用了多天线同时进行发和收模式，MIMO通信系统比SISO系统的容量提高了若干倍。因此，MIMO通信系统有着很高的频谱利用率和传输速率。
当然，MIMO在实际应用中也存在很多问题，针对不同情况具有不同的方案。比如有的学者提出的方案具有在用户调度上的缺陷，这会影响多用户分集增益的提高，所以需要我们不断践行，从实际出发，总结其他方案，有效克服这方面的缺陷，来自其发送端的波束赋形预处理能够减少用户间干扰，从而提高系统性能。用户的不断反馈结果也证明，当用户数较少时，在高信噪比条件下，Freescale Semiconductor公司提出的ZF 方案的系统吞吐量性能明显优于Samsung公司提出来的 PU2RC方案。因此，LTE 中多用户 MIMO技术趋向于采用ZF 方案。
2.2 MIMO技术应用中的测试难题
这种MIMO通信系统技术在大规模推向市场之前，大量测试实验方面工作是必须要扎扎实实做的。一是要进一步验证该信息技术的可行性发展，二要在实际运行场景中验证该种技术的可实用性，来寻找出一套或若干套相关配套设置，从而发挥 LTE 系统强大的运行功能。在这些急需解决的系统技术问题当中，MIMO测试难题的突破是必要的。
大家都知道，整个LTE系统的测试一般分为室内测试与室外测试两种。室内测试检验的是通信设备的一些基本处理能力，是为顺利进行外场测试做准备，以便及时发现最基本的本体，避免常识性错误。室室内测试的关注要点是基站、手机一些基本功能的实现以及系统静态性能的检测，最常见的就是最大传输速率、衰落信道下链路性能等。而室外测试是验证LTE系统在外场实际的复杂无线环境下其性能的发挥情况。但是在实际的应用中，问题的复杂度需要我们提前想到，比如反向的线路到正向的信道条件与前向相比会更加恶劣，这与站点的发射功率有关，也与上行资源在上行链路的分配无不关联。就算工作中的信道模拟仪可以部分模拟信道相关性和时变性，其涵盖的应用场景也是十分有限的，甚至只能代表部分理论结果，理想化的成果偏多，与实际情况相去甚远。
这里要强调的是，室内测试阶段有两个难点需关注：一个测试波束赋型问题，另一个是测试设备的困顿。空间多址的信道模拟仪表多为 2入2出，而波束赋型的测试至少需要模拟出4*2甚至8*2出的信道，这对测试仪器提出更高要求。在LTE的实际应用中，工作人员反馈到，由于波束赋型所需的部分信道信息要利用信道的互易性得到，这就是说上行也要与信道模拟仪进行有效连接，但是即使这样也能做到，如何进行信道互易性模拟是另一个亟需解决的问题。如果是空间多址测试的话，基站就必须同时连接多部终端，而此时如果终端都需要连接不同的信道模拟仪，那么测试设备的数量就成为难题，在LTE产业初期，这也是很难做到的。
3、结束语
MIMO无线传输技术的应用已经逐渐被推广开来，无线通信因此具有更加美好的前景，学界不断开发、测试原型系统及其应用，推动其商用化进程。而需要注意的是，对于业界而言，终端的限制几乎制约着整个无线通信产业的发展，因为终端的发展毕竟滞后于基站的发展，终端各方面的落后使得基站成熟也受到极大挑战。MIMO技术也不例外，其在LTE中的实现也必然囿于终端性能的发展，最明显的就是在空间复用模式中，如果SINR达不到一定水平，将难以有效实现多流的应用，因此这方面的工作亟需更多关注和切实开展。
关键词： MIMO技术；LTE；应用；问题
在 LTE 通信系统中，为了提高系统容量和数据传输速率，LTE 通信系统运用了多输入多输出（MIMO）技术发展模式，该模式包括了传输分集、波束赋形以及空间复用。MIMO通信技术运用了空间之间的弱相关性来提高通信信道的容量和信息传输的可靠性，使得误码率大大降低。
1、LTE中的MIMO技术
2006 年初国家开始制定 MIMO 与 LTE 之间的协议，MIMO 通信技术从开始就发展成为LTE 中提升频谱传输效率的关键技术。
MIMO 通信系统和正交变频复用 （OFDM）这两项技术在时域、空域、码域和频域四个方面帶来巨大的资源空间范围，并能在 4 个相关纬度之间进行灵活调度和自相适应。其在发端与末端均运用多天线单元模式、先进的信号处理与无线传输技术，进行无线信道的多途径传播，建立空间并行传输通道，开发技术空间资源，在不增加发射功率与带宽的前提下，提高无线通信的数据速率及质量，堪称为现代通信技术领域很重要的技术突破。
2、MIMO技术在LTE中的应用
2.1MIMO技术的应用优势
LTE 通信系统采用多天线 MIMO 技术模式，LTE系统最基本的天线配置为上行 1*2 （Single Transmitter Double Receivers）和下行 2*2 （DoubleTransmitters Double Receivers）。LTE通信天线最高配置为 4*4 （QuadruplexTransmitters Quadruplex Receivers）。3GPP LTE通信技术的改进目标为更短的时延、更低的成本、更高的系统容量、改进的覆盖范围及更高的传输数据速率。主要性能目标为：信息系统支持 100km 半径的小区半径；小区信息容量进一步提高，其边缘用户的通信性能得到的改善；在 20MHz 频谱带宽能够提供上行 50Mbit/s和下行 100Mbit/s的峰值速率强度；小区边缘比特率得以提高，在保持基站位置相对不变的情况下提高小区边缘比特率；提高频谱效率，其系统支持下行链路 5（bit/s）/Hz，是 R6 HSUPA（High SpeedUplink Packet Access，高速上行分组接入）3 至 4 倍。上行链路 2.5（bit/s）/Hz（2至 3 倍于 R6 HSDPA），该系统在整体架构上会基于分组频谱交换，以分组域业务为发展目标。
空间复用技术是在频域和时域之外慢慢发展起来的，寻找另一种维度（空域维度）实现突破，系统发射端将不同的数据流信息传输分配到多个独立的空间信道上进行传输，这些通信信息在接收端运用空域维度来进行区分，这种通信接收技术运用了空间弱相关性。该种信息技术在新到条件比较好的情况下，也就是小区信噪比比较高的前提下能够大幅度的提高信道容量传输数据的峰值速率，MIMO技术在此基础上不断实现突破。
首先，MIMO无线通信技术的优势已非平常智能天线所能比拟。智能天线运用加权算法驱动波束为导向，将能量聚集到期望方向来提高信噪比，抑制多径传播，而不是加以利用。对于MIMO通信系统技术，若该系统M副接收天线与N副发射天线发展而成的无线链路M×N信道矩阵模式元素完全独立，该系统容量随着最小智能天线数目线性增长，而不是运用智能天线下的对数增长模式。如果天线的成本和空间与射频通道不受限制的话，MIMO通信系统就能够提供无限大的技术容量，这是时间维度和空间维度充分结合的成果，也就是采用空时编码并利用矩阵信道而不是智能天线系统中的向量信道传输数据。
此外，MIMO通信技术运用了无线信道多径传播的固有性质：假如在发送与接收两个端口采用多天线系统模式，只要各天线单元的间距够大，无线信道的散射传播途径分量足够丰富的话，各对发-收天线单元之间的多径衰落就会趋于独立，各对等效发-收天线之间无线传输信道技术趋于独立形式，这些同时间、同信道、同频率特征码相互之间的子信道就会趋于正交。具有M副接收天线与N副发射天线的M×NMIMO系统模式，其系统发展模式日益成熟。
最后，该系统发射数据流S发展为N路子数据流，在信息调制与射频前端对数据处理后以对等的频率分别运用N副天线发射出去。通过无线信道的散射传播途径，并行子数据流从不同传播路径到达无线接收机，由M副天线无线接收，接收机运用先进通信信号处理技术对各种接收信号进行数据处理，这种恢复原始数据流MIMO传输技术模式被称为多输出多输入技术，其通信原理是运用多根天线的发和收。系统发射端运用多天线的阵列发射频率信号。其接收端运用多天线阵列接收信号模式，接收端运用复用和分集等相关技术增加了接收增益。由于该技术运用了多天线同时进行发和收模式，MIMO通信系统比SISO系统的容量提高了若干倍。因此，MIMO通信系统有着很高的频谱利用率和传输速率。
当然，MIMO在实际应用中也存在很多问题，针对不同情况具有不同的方案。比如有的学者提出的方案具有在用户调度上的缺陷，这会影响多用户分集增益的提高，所以需要我们不断践行，从实际出发，总结其他方案，有效克服这方面的缺陷，来自其发送端的波束赋形预处理能够减少用户间干扰，从而提高系统性能。用户的不断反馈结果也证明，当用户数较少时，在高信噪比条件下，Freescale Semiconductor公司提出的ZF 方案的系统吞吐量性能明显优于Samsung公司提出来的 PU2RC方案。因此，LTE 中多用户 MIMO技术趋向于采用ZF 方案。
2.2 MIMO技术应用中的测试难题
这种MIMO通信系统技术在大规模推向市场之前，大量测试实验方面工作是必须要扎扎实实做的。一是要进一步验证该信息技术的可行性发展，二要在实际运行场景中验证该种技术的可实用性，来寻找出一套或若干套相关配套设置，从而发挥 LTE 系统强大的运行功能。在这些急需解决的系统技术问题当中，MIMO测试难题的突破是必要的。
大家都知道，整个LTE系统的测试一般分为室内测试与室外测试两种。室内测试检验的是通信设备的一些基本处理能力，是为顺利进行外场测试做准备，以便及时发现最基本的本体，避免常识性错误。室室内测试的关注要点是基站、手机一些基本功能的实现以及系统静态性能的检测，最常见的就是最大传输速率、衰落信道下链路性能等。而室外测试是验证LTE系统在外场实际的复杂无线环境下其性能的发挥情况。但是在实际的应用中，问题的复杂度需要我们提前想到，比如反向的线路到正向的信道条件与前向相比会更加恶劣，这与站点的发射功率有关，也与上行资源在上行链路的分配无不关联。就算工作中的信道模拟仪可以部分模拟信道相关性和时变性，其涵盖的应用场景也是十分有限的，甚至只能代表部分理论结果，理想化的成果偏多，与实际情况相去甚远。
这里要强调的是，室内测试阶段有两个难点需关注：一个测试波束赋型问题，另一个是测试设备的困顿。空间多址的信道模拟仪表多为 2入2出，而波束赋型的测试至少需要模拟出4*2甚至8*2出的信道，这对测试仪器提出更高要求。在LTE的实际应用中，工作人员反馈到，由于波束赋型所需的部分信道信息要利用信道的互易性得到，这就是说上行也要与信道模拟仪进行有效连接，但是即使这样也能做到，如何进行信道互易性模拟是另一个亟需解决的问题。如果是空间多址测试的话，基站就必须同时连接多部终端，而此时如果终端都需要连接不同的信道模拟仪，那么测试设备的数量就成为难题，在LTE产业初期，这也是很难做到的。
3、结束语
MIMO无线传输技术的应用已经逐渐被推广开来，无线通信因此具有更加美好的前景，学界不断开发、测试原型系统及其应用，推动其商用化进程。而需要注意的是，对于业界而言，终端的限制几乎制约着整个无线通信产业的发展，因为终端的发展毕竟滞后于基站的发展，终端各方面的落后使得基站成熟也受到极大挑战。MIMO技术也不例外，其在LTE中的实现也必然囿于终端性能的发展，最明显的就是在空间复用模式中，如果SINR达不到一定水平，将难以有效实现多流的应用，因此这方面的工作亟需更多关注和切实开展。