LTE关键技术及MIMO技术在LTE中的应用

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摘要：LTE作为新一代无线通信技术，着重于提高网络速率、增大网络容量和覆盖范围。MIMO技术是未来LTE网络的重要的关键技术之一。本文介绍了LTE的三种关键技术，具体分析了MIMO的技术原理和在LTE中的一些应用。 　　1.LTE关键技术——MIMO 　　（1）LTE（LongTermEvolution，长期演进）是由3GPP组织制定的UMTS技术标准的长期演进，于2004年12月3GPP多伦多TSGRAN#26会议上正式立项并启动。LTE系统引入了OFDM和多天线MIMO等关键传输技术，显着增加了频谱效率和数据传输速率（峰值速率能够达到上行50Mbit/s，下行100Mbit/s），并支持多种带宽分配：1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz和20MHz等，频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖显着提升。LTE无线网络架构更加扁平化，减小了系统时延，降低了建网成本和维护成本。LTE系统支持与其他3GPP系统互操作。FDD-LTE已成为当前世界上采用的国家及地区最广泛的，终端种类最丰富的一种4G标准。LTE关键技术包括传输与多址接入技术、MIMO技术、工作模式、编码与调制、随机接入技术、功率控制技术、小区干扰抑制等，在这里我们要介绍的是MIMO技术。 　　2.MIMO技术在LTE中的应用 　　2.1 MIMO的原理。 　　（3）特别是，M个子流同时发送到信道，各发射信号占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道响应独立，则多入多出系统可以创造多个并行空间信道。通过这些并行空间信道独立地传输信息，数据率必然可以提高。 　　（4）MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率。这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。在不增加带宽和天线发送功率的情况下，利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，频谱利用率也随之成倍地提高，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率。 　　2.2 上行虚拟MIMO应用。 　　（1）虚拟MIMO技术通常用在上行传输中，主要原因是终端天线数少于基站的天线数，为了更加充分的利用上行信道的信道容量，在TE-LTER8版本中引入了虚拟MIMO传输方式。 　　（2）传统的MIMO传输对于发送端来说是可控的，即可以选择发送的天线数和流数，但是在虚拟MIMO中，终端只是单流天线传输，并没有意识到其他发送终端的存在，但从接收端的角度看，是一个多发多收模式，由多个发送终端和基站组成一个虚拟多发多收的MIMO系统。如两个终端接入时，每个终端一个发送天线，两个终端和基站两个接收天线组成2x2的虚拟MIMO两路，此时两个终端可以在相同的时频资源发送上行数据，基站由于配有两根接收天线，因此可以检测出两个不同的数据流。虚拟MIMO的本质是利用了来自不同终端的多个天线提高了空间的自由度，充分利用了潜在的信道容量。 　　（3）TD-LTER8中采用了上行虚拟MIMO技术，每个终端只有单个发送通道，多个终端可以组成虚拟的上行MU-MIMO传输。由于上行虚拟MIMO是多用户MIMO传输方式，每个终端的导频信号需要采用不同的正交导频序列以利于估计上行信道信息。对于单个终端而言，并不需要知道其他终端是否采用虚拟MIMO方式，只需要根据下行控制信令的指示，在所分配的时频资源里发送导频和数据信号，在基站侧，由于知道所有终端的资源分配和导频信号序列，因此可以检测出多个终端发送的信号信息。 　　（4）上行虚拟MIMO技术并不会增加终端发送的复杂度，但是在基站端，需要完成用户的选择配对和多用户检测。在应用虚拟MIMO技术时，首先需要考虑的因素是尽可能使得配对用户之间的干扰小一些，表现在信道上是相互正交，同时两个用户的信噪比应该相当，便于获得更好的空间复用增益。 　　2.3 多用户MIMO应用。 　　2.3.1 多用户MIMO与单用户MIMO的区别主要在于：在多用户MIMO系统中，用户组（LTE中只考虑两个用户配对情况）的数据占用相同的时频资源，即用户组的数据在相同的子载波上传输。因此，多用户MIMO能有效提高系统吞吐量。但随之而来的问题是多用户MIMO系统中如何消除用户之间的共信道干扰。消除用户间干扰的最优的多用户MIMO方案是采用“脏纸理论”的预编码方案，该方案要求发送端完全已知各用户之间的干扰，然后通过脏纸理论的预编码方法完全消除用户之间的干扰。但该方案复杂度极高，无法在实际系统中应用。 　　（3）第三步：发送端用户配对。基站收集各用户反馈的码本索引值，将预编码矢量为酉矩阵的不同列矢量的多个用户归为一组。如用户1反馈的码本索引值对应的预编码矢量为[1，1]T，而用户2反馈的码本索引值对应的预编码矢量为[1，-1]T，则将用户1和用户2归为一组。很显然，当小区中的用户数较多时，采用相同预编码矢量（如[1，1]T）的用户很可能不止一个，即用户组中的用户大于2。这时就需要根据一定的准则（如吞吐量最大准则）在用户组中调度两个用户进行用户配对。 　　（5）第五步：接收端利用MMSE准则消除其他用户的干扰，恢复出自己的数据。 　　参考文献 　　[1]张克平.LTE-B3G/4G移动通信系统无线技术[M].北京：电子工业出版社，2009. 　　[2]华为技术有限公司主编.LTE网络介绍及关键技术[J].邮电设计技术，2012（02）.

《建筑科技与管理》2013年7期 作者：万岳伟