室内分布MIMO 天线的研究及展望
1. 引言
当前，随着用户数量的增加，尤其是数据业务的大量增加，三大运营商的网络压力越来越大，为此逐渐加大了网络整改和建设力度，中国移动作为全球最大的运营商，加快了WLAN 系统的部署和LTE 的规模试验步伐。
在中国移动四网协调发展战略中，TD-LTE 代表了网络演进的方向，具有举足轻重的地位，而TD-LTE 业务特性和业务发展趋势决定了室内区域网络覆盖的重要性，建设室内分布系统是解决室内重点区域网络覆盖的最重要方式。中国移动在2010年底到2011年底，针对室内双路系统，分别进行了TD-SCDMA 双通道测试、基于IEEE 802.11n的MIMO 天线测试和LTE 室内分布规模试验网测试。
2 . LTE系统及802.11n 的WLAN 系统
2.1 LTE系统
LTE 采用了OFDM 和MIMO 等技术，极大地提高了系统的吞吐量；MIMO 系统使用的是空间复用技术，MIMO 系统在接收和发射时均使用了多路收发信机。由于MIMO 支持在给定的带宽情况下, 单位时间能够传输更多的比特，因此它能提高频谱效率，使系统能够同时满足多名用户对高数据速率的要求。由于无需增加额外带宽就可提高频谱效率、提供更高的数据速率和数据吞吐量，因此 MIMO 对于无线通信系统具有极大的吸引力。对于下行链路的通信来说，一个基站（BS ）包括具有多路发射天线的发射机，一个移动台（MS ）包括具有多路接收天线的接收机。
图1为单路输入单路输出（SISO ）系统，多路输入多路输出（MIMO ）系统的发射机和接收机的基本配置 图1 SISO、MIMO （2x2）系统的天线和信道配置
2.2. WLAN系统下的MIMO 信道
MIMO 系统利用多径效应通过多天线收发提高传输效率。MIMO 系统通过发射天线和接收天线的联合处理，可以同时提供多个并行的空间传输通道，因而能够有效地提高系统频谱利用率。
Caire 和Shamai[2]提出了采用逐次DPC 编码的方法可以得到两个用户的一般非退化高斯广播信道的容量域，在高信噪比的情况下，当信道矩阵是满秩的情况下迫零DPC 编码是最优的。低信噪比的情况下，最大比合并波束成形是最优的。Vishwanath ，Jindal 和Goldsmith[3]建立了MIMO 广播信道的容量域和MIMO 多址接入信道的容量域之间的对偶关系，证明了MIMO 广播信道在功率为P 约束下的容量域对偶于MIMO 多址接入信道在各用户和功率为P 的容量域。闭环MIMO 系统如图2所示。
图2 闭环MIMO 系统模型
接收机瞬时接受的数据向量为，则接收信号矩阵为
[4]
(1)
H0和H1为Toeplitz 矩阵，H0的第一列为列为，第一行为。 ，第一行为，H1的第一MIMO 系统的信号响应为
[5]
（2）
其中，x 为
则信道的容量为
的发射信号向量，H 为的信道矩阵，n 为均方差为噪声（AWGN ）向量。
(3)
这里，P 是发射信号协方差矩阵。
3. 仿真及测试验证
MIMO 无线系统的信道容量取决于信道矩阵的秩，而信道矩阵的秩则依赖于天线端口处信号衰落的相关特性，故天线特性是决定系统性能的一个关键因素。为了获得低相关性，传统上要求天线间的间距充分大，但在现实中往往存在安装空间受限的情况，此时由于天线间隔较小，天线间的相互作用会显著地影响相关特性。天线间信号相关性的求解可以采用对方向图求相关的方法。
为了验证基于802.11n 的WLAN 的MIMO 系统性能，需要对该系统进行测试。测试的项目为无线覆盖信号强度测试，信噪比测试，Ping 包测试、AP 配置检查及干扰测试和FTP 下载测试等。
图3、图4分别为为单入单出（SISO ）系统在中点40M 模式下的上行和下行吞吐量。
图3 SISO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图4 SISO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图5、图6分别为双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行和下行吞吐量。
图5 双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图6 双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图7、图8分别为双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行、下行吞吐量。
图7 双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图8 双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图9为三种情况下40M 模式1信道及11信道中点（≥-60dBm ）上下的吞吐量测试汇总图，共有六个测试模式，其中模式一为SISO1信道下的测试结果，模式二为SISO11信道，模式三为单极化双通道MIMO1信道，模式四为单极化双通道MIMO11信道，模式五为双极化MIMO1信道，模式六为双极化MIMO11信道。
图9 40M模式下六种模式吞吐量
从以上测试图可以看出，在近点和中点范围内，MIMO 系统比SISO 系统的下行吞吐量有60%~80%的提升，下行的吞吐量也有20%~40%的提升。这是由于室内分布天线的两天线互耦较小，因此相关性较好；
而笔记本测试终端的两天线距离很近，相关性较差导致上行吞吐量提升较小，在今后的研究中，终端MIMO 天线的性能得到提升后，系统的上、下行传输速率将会得到更大的提高，且更加平衡。
4. 结论：
分析了基于802.11n 的WLAN 的多天线技术的系统容量及相关性， 并在室内条件下对SISO 和MIMO 系统进行了对比测试。测试表明，通过双通道MIMO 天线在室内应用，利用多信道的多径效应，可以降低终端发射功率；双通道MIMO 天线系统的下行吞吐量，无线覆盖信号强度，信噪比和抗干扰能力等都有较大的提高。另外，为了平衡上、下行的传输速率，需要今后加强对多系统终端多天线技术的研究。
5.LTE 发展展望
2010年12月28日, 工业和信息化部对电信研究院《关于开展TD-LTE 规模技术试验的请示》作出了批复，由中国移动在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市采用D 频段（2570MHz-2620MHz ）率先开展TD-LTE 规模技术试验。LTE 规模试验网总体数据仍在处理当中，结论会在12月月底上报。
总之，大力推进TD-LTE 发展是中国移动面向未来实现可持续发展的重要战略举措，打造TD-LTE 精品网络具有重大意义。中国移动将坚持TD-SCDMA 和TD-LTE 并举的发展策略，持续推进TD-SCDMA 网络优化补点，提升客户感知，不断提高TD-SCDMA 网络分流手机终端数据流量的比例，同时要积极推进TD-SCDMA 向TD-LTE 的升级演进。
作者：中国移动设计院 高峰
室内分布MIMO 天线的研究及展望
1. 引言
当前，随着用户数量的增加，尤其是数据业务的大量增加，三大运营商的网络压力越来越大，为此逐渐加大了网络整改和建设力度，中国移动作为全球最大的运营商，加快了WLAN 系统的部署和LTE 的规模试验步伐。
在中国移动四网协调发展战略中，TD-LTE 代表了网络演进的方向，具有举足轻重的地位，而TD-LTE 业务特性和业务发展趋势决定了室内区域网络覆盖的重要性，建设室内分布系统是解决室内重点区域网络覆盖的最重要方式。中国移动在2010年底到2011年底，针对室内双路系统，分别进行了TD-SCDMA 双通道测试、基于IEEE 802.11n的MIMO 天线测试和LTE 室内分布规模试验网测试。
2 . LTE系统及802.11n 的WLAN 系统
2.1 LTE系统
LTE 采用了OFDM 和MIMO 等技术，极大地提高了系统的吞吐量；MIMO 系统使用的是空间复用技术，MIMO 系统在接收和发射时均使用了多路收发信机。由于MIMO 支持在给定的带宽情况下, 单位时间能够传输更多的比特，因此它能提高频谱效率，使系统能够同时满足多名用户对高数据速率的要求。由于无需增加额外带宽就可提高频谱效率、提供更高的数据速率和数据吞吐量，因此 MIMO 对于无线通信系统具有极大的吸引力。对于下行链路的通信来说，一个基站（BS ）包括具有多路发射天线的发射机，一个移动台（MS ）包括具有多路接收天线的接收机。
图1为单路输入单路输出（SISO ）系统，多路输入多路输出（MIMO ）系统的发射机和接收机的基本配置 图1 SISO、MIMO （2x2）系统的天线和信道配置
2.2. WLAN系统下的MIMO 信道
MIMO 系统利用多径效应通过多天线收发提高传输效率。MIMO 系统通过发射天线和接收天线的联合处理，可以同时提供多个并行的空间传输通道，因而能够有效地提高系统频谱利用率。
Caire 和Shamai[2]提出了采用逐次DPC 编码的方法可以得到两个用户的一般非退化高斯广播信道的容量域，在高信噪比的情况下，当信道矩阵是满秩的情况下迫零DPC 编码是最优的。低信噪比的情况下，最大比合并波束成形是最优的。Vishwanath ，Jindal 和Goldsmith[3]建立了MIMO 广播信道的容量域和MIMO 多址接入信道的容量域之间的对偶关系，证明了MIMO 广播信道在功率为P 约束下的容量域对偶于MIMO 多址接入信道在各用户和功率为P 的容量域。闭环MIMO 系统如图2所示。
图2 闭环MIMO 系统模型
接收机瞬时接受的数据向量为，则接收信号矩阵为
[4]
(1)
H0和H1为Toeplitz 矩阵，H0的第一列为列为，第一行为。 ，第一行为，H1的第一MIMO 系统的信号响应为
[5]
（2）
其中，x 为
则信道的容量为
的发射信号向量，H 为的信道矩阵，n 为均方差为噪声（AWGN ）向量。
(3)
这里，P 是发射信号协方差矩阵。
3. 仿真及测试验证
MIMO 无线系统的信道容量取决于信道矩阵的秩，而信道矩阵的秩则依赖于天线端口处信号衰落的相关特性，故天线特性是决定系统性能的一个关键因素。为了获得低相关性，传统上要求天线间的间距充分大，但在现实中往往存在安装空间受限的情况，此时由于天线间隔较小，天线间的相互作用会显著地影响相关特性。天线间信号相关性的求解可以采用对方向图求相关的方法。
为了验证基于802.11n 的WLAN 的MIMO 系统性能，需要对该系统进行测试。测试的项目为无线覆盖信号强度测试，信噪比测试，Ping 包测试、AP 配置检查及干扰测试和FTP 下载测试等。
图3、图4分别为为单入单出（SISO ）系统在中点40M 模式下的上行和下行吞吐量。
图3 SISO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图4 SISO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图5、图6分别为双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行和下行吞吐量。
图5 双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图6 双通道单极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图7、图8分别为双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行、下行吞吐量。
图7 双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的上行吞吐量
图8 双通道双极化2´2MIMO系统中点40M 模式下的下行吞吐量
图9为三种情况下40M 模式1信道及11信道中点（≥-60dBm ）上下的吞吐量测试汇总图，共有六个测试模式，其中模式一为SISO1信道下的测试结果，模式二为SISO11信道，模式三为单极化双通道MIMO1信道，模式四为单极化双通道MIMO11信道，模式五为双极化MIMO1信道，模式六为双极化MIMO11信道。
图9 40M模式下六种模式吞吐量
从以上测试图可以看出，在近点和中点范围内，MIMO 系统比SISO 系统的下行吞吐量有60%~80%的提升，下行的吞吐量也有20%~40%的提升。这是由于室内分布天线的两天线互耦较小，因此相关性较好；
而笔记本测试终端的两天线距离很近，相关性较差导致上行吞吐量提升较小，在今后的研究中，终端MIMO 天线的性能得到提升后，系统的上、下行传输速率将会得到更大的提高，且更加平衡。
4. 结论：
分析了基于802.11n 的WLAN 的多天线技术的系统容量及相关性， 并在室内条件下对SISO 和MIMO 系统进行了对比测试。测试表明，通过双通道MIMO 天线在室内应用，利用多信道的多径效应，可以降低终端发射功率；双通道MIMO 天线系统的下行吞吐量，无线覆盖信号强度，信噪比和抗干扰能力等都有较大的提高。另外，为了平衡上、下行的传输速率，需要今后加强对多系统终端多天线技术的研究。
5.LTE 发展展望
2010年12月28日, 工业和信息化部对电信研究院《关于开展TD-LTE 规模技术试验的请示》作出了批复，由中国移动在上海、杭州、南京、广州、深圳、厦门6个城市采用D 频段（2570MHz-2620MHz ）率先开展TD-LTE 规模技术试验。LTE 规模试验网总体数据仍在处理当中，结论会在12月月底上报。
总之，大力推进TD-LTE 发展是中国移动面向未来实现可持续发展的重要战略举措，打造TD-LTE 精品网络具有重大意义。中国移动将坚持TD-SCDMA 和TD-LTE 并举的发展策略，持续推进TD-SCDMA 网络优化补点，提升客户感知，不断提高TD-SCDMA 网络分流手机终端数据流量的比例，同时要积极推进TD-SCDMA 向TD-LTE 的升级演进。
作者：中国移动设计院 高峰