LTE 多天线技术

HIT王德昊

多天线技术对于提升传输速率、提升传输可靠性、改善系统频谱效率及抑制干扰有着十分重要的作用，因而在无线接入系统中有着十分广泛的应用[1]。多天线传输方案大致可分为分集、空分复用与波束赋形三大类[2]。其中，分集技术可以利用并行通道传输相同或具有一定冗余度的数据，以提升传输的可靠性，达到抗衰落的目的。空分复用技术可以利用多个天线构成的并行信道传输不同的数据流，从而直接提升数据传输速率。波束赋形技术可以根据发射机掌握的信道状态信息，对发射信号进行预处理，将信号能量集中到某个特定的方向，从而直接提高接收信号的信噪比。

多天线技术包括智能天线技术和MIMO技术。基于WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统应用了智能天线技术。该技术采用了多阵元天线，与MIMO技术不同的是，其通过不同发射天线发送相同数据，形成指向某些用户的波束，从而有效提高天线增益，降低用户间干扰。因此，智能天线技术实质上是一种分集技术，没有实现空分复用。

MIMO技术在3G向LTE系统演进过程中被引入，与正交频分复用技术相结合，在LTE系统中起到了巨大作用。实际上，LTE系统的物理层架构正是建立在MIMO+OFDM基础之上的。LTE系统的第一个版本，就对包括发射分集、空分复用、多用户MIMO及波束赋形技术在内的几乎所用多天线技术进行了标准化[3]。并且，在LTE系统后续演进中，对多天线技术的完善与增强始终是其最重要的发展路线之一。

3GPP LTE技术规范R8版本定义的多天线技术，下行最多支撑4天线4层发射，上行支撑单天线发射；R9版本中下行引入了双流波束赋形技术；R10版本对多天线技术进行了进一步增强，下行最多支撑8天线8层发射，下行最多支撑4天线4层发射，峰值频谱效率可以提高至30 bits/s/Hz，上行15 bits/s/Hz。

LTE最终版本中共定义了九种下行链路多天线传输模式[2]（TM，Transmission Mode），各模式功能描述如下表所示。

TM1为单天线传输模式，主要用于室内分布系统，或其它模式出现故障时。

TM2为发射分集，适合于小区边缘干扰较大情况，有时也用于高速情况，能够提供分集增益，提高通信可靠性。

TM3为开环空分复用，终端不需要反馈PMI，适合于终端高速移动的情况。

TM4为闭环空分复用，终端需要反馈PMI和rank，适合于信道条件比较好的场景，用于提高数据传输速率。

TM5为多用户MIMO，即空分多址，主要用于提升小区容量。

TM6为FDD模式下的单层闭环波束赋形，用于提升信号覆盖范围。

TM7为TDD模式下的单流闭环波束赋形，用于提升信号覆盖范围。

TM8为TDD模式下的双流闭环波束赋形，是TM7的演进，在波束赋形的同时，基站同时发送两路数据流，实现了空分复用。

TM9为R10版本新增模式，最多可以支撑8层传输，用于提升传输速率。

TM7、TM8、TM9一般用于TDD模式，收发两端都基于8通道天线，无法在两通道终端设备上实施