1.引言

當(dāng)前，隨著用戶數(shù)量的增加，尤其是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的大量增加，三大運營商的網(wǎng)絡(luò)壓力越來越大，為此逐漸加大了網(wǎng)絡(luò)整改和建設(shè)力度，中國移動作為全球最大的運營商，加快了WLAN系統(tǒng)的部署和LTE的規(guī)模試驗步伐。

在中國移動四網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略中，TD-LTE代表了網(wǎng)絡(luò)演進的方向，具有舉足輕重的地位，而TD-LTE業(yè)務(wù)特性和業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢決定了室內(nèi)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要性，建設(shè)室內(nèi)分布系統(tǒng)是解決室內(nèi)重點區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最重要方式。中國移動在2010年底到2011年底，針對室內(nèi)雙路系統(tǒng)，分別進行了TD-SCDMA雙通道測試、基于IEEE 802.11n的MIMO天線測試和LTE室內(nèi)分布規(guī)模試驗網(wǎng)測試。

2 . LTE系統(tǒng)及802.11n的WLAN系統(tǒng)

2.1 LTE系統(tǒng)

LTE采用了OFDM和MIMO等技術(shù)，極大地提高了系統(tǒng)的吞吐量；MIMO系統(tǒng)使用的是空間復(fù)用技術(shù)，MIMO系統(tǒng)在接收和發(fā)射時均使用了多路收發(fā)信機。由于MIMO支持在給定的帶寬情況下,單位時間能夠傳輸更多的比特，因此它能提高頻譜效率，使系統(tǒng)能夠同時滿足多名用戶對高數(shù)據(jù)速率的要求。由于無需增加額外帶寬就可提高頻譜效率、提供更高的數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)吞吐量，因此 MIMO 對于無線通信系統(tǒng)具有極大的吸引力。對于下行鏈路的通信來說，一個基站（BS）包括具有多路發(fā)射天線的發(fā)射機，一個移動臺（MS）包括具有多路接收天線的接收機。

圖1為單路輸入單路輸出（SISO）系統(tǒng)，多路輸入多路輸出（MIMO）系統(tǒng)的發(fā)射機和接收機的基本配置

圖1 SISO、MIMO（2x2）系統(tǒng)的天線和信道配置 

2.2. WLAN系統(tǒng)下的MIMO信道

MIMO系統(tǒng)利用多徑效應(yīng)通過多天線收發(fā)提高傳輸效率。MIMO系統(tǒng)通過發(fā)射天線和接收天線的聯(lián)合處理，可以同時提供多個并行的空間傳輸通道，因而能夠有效地提高系統(tǒng)頻譜利用率。

Caire和Shamai[2]提出了采用逐次DPC編碼的方法可以得到兩個用戶的一般非退化高斯廣播信道的容量域，在高信噪比的情況下，當(dāng)信道矩陣是滿秩的情況下迫零DPC編碼是最優(yōu)的。低信噪比的情況下，最大比合并波束成形是最優(yōu)的。Vishwanath，Jindal和Goldsmith[3]建立了MIMO廣播信道的容量域和MIMO多址接入信道的容量域之間的對偶關(guān)系，證明了MIMO廣播信道在功率為P約束下的容量域?qū)ε加贛IMO多址接入信道在各用戶和功率為P的容量域。閉環(huán)MIMO系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 閉環(huán)MIMO系統(tǒng)模型

接收機瞬時接受的數(shù)據(jù)向量為，則接收信號矩陣為[4]

           (1)

H0和H1為Toeplitz矩陣，H0的第一列為，第一行為，H1的第一列為，第一行為。

MIMO系統(tǒng)的信號響應(yīng)為[5]

             （2）

其中，x為的發(fā)射信號向量，H為的信道矩陣，n為均方差為噪聲（AWGN）向量。

則信道的容量為

         (3)

這里，P是發(fā)射信號協(xié)方差矩陣。

3. 仿真及測試驗證

MIMO無線系統(tǒng)的信道容量取決于信道矩陣的秩，而信道矩陣的秩則依賴于天線端口處信號衰落的相關(guān)特性，故天線特性是決定系統(tǒng)性能的一個關(guān)鍵因素。為了獲得低相關(guān)性，傳統(tǒng)上要求天線間的間距充分大，但在現(xiàn)實中往往存在安裝空間受限的情況，此時由于天線間隔較小，天線間的相互作用會顯著地影響相關(guān)特性。天線間信號相關(guān)性的求解可以采用對方向圖求相關(guān)的方法。

為了驗證基于802.11n的WLAN的MIMO系統(tǒng)性能，需要對該系統(tǒng)進行測試。測試的項目為無線覆蓋信號強度測試，信噪比測試，Ping包測試、AP配置檢查及干擾測試和FTP下載測試等。

圖3、圖4分別為為單入單出（SISO）系統(tǒng)在中點40M模式下的上行和下行吞吐量。

圖3 SISO系統(tǒng)中點40M模式下的上行吞吐量

圖4 SISO系統(tǒng)中點40M模式下的下行吞吐量

圖5、圖6分別為雙通道單極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的上行和下行吞吐量。

 
   圖5 雙通道單極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的上行吞吐量

圖6 雙通道單極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的下行吞吐量

圖7、圖8分別為雙通道雙極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的上行、下行吞吐量。

圖7 雙通道雙極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的上行吞吐量

  圖8 雙通道雙極化2´2MIMO系統(tǒng)中點40M模式下的下行吞吐量

  圖9為三種情況下40M模式1信道及11信道中點（≥-60dBm）上下的吞吐量測試匯總圖，共有六個測試模式，其中模式一為SISO1信道下的測試結(jié)果，模式二為SISO11信道，模式三為單極化雙通道MIMO1信道，模式四為單極化雙通道MIMO11信道，模式五為雙極化MIMO1信道，模式六為雙極化MIMO11信道。

圖9 40M模式下六種模式吞吐量

從以上測試圖可以看出，在近點和中點范圍內(nèi)，MIMO系統(tǒng)比SISO系統(tǒng)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。這是由于室內(nèi)分布天線的兩天線互耦較小，因此相關(guān)性較好；而筆記本測試終端的兩天線距離很近，相關(guān)性較差導(dǎo)致上行吞吐量提升較小，在今后的研究中，終端MIMO天線的性能得到提升后，系統(tǒng)的上、下行傳輸速率將會得到更大的提高，且更加平衡。

4.結(jié)論：

分析了基于802.11n的WLAN的多天線技術(shù)的系統(tǒng)容量及相關(guān)性， 并在室內(nèi)條件下對SISO和MIMO系統(tǒng)進行了對比測試。測試表明，通過雙通道MIMO天線在室內(nèi)應(yīng)用，利用多信道的多徑效應(yīng)，可以降低終端發(fā)射功率；雙通道MIMO天線系統(tǒng)的下行吞吐量，無線覆蓋信號強度，信噪比和抗干擾能力等都有較大的提高。另外，為了平衡上、下行的傳輸速率，需要今后加強對多系統(tǒng)終端多天線技術(shù)的研究。

5.LTE發(fā)展展望

2010年12月28日,工業(yè)和信息化部對電信研究院《關(guān)于開展TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗的請示》作出了批復(fù)，由中國移動在上海、杭州、南京、廣州、深圳、廈門6個城市采用D頻段（2570MHz-2620MHz）率先開展TD-LTE規(guī)模技術(shù)試驗。LTE規(guī)模試驗網(wǎng)總體數(shù)據(jù)仍在處理當(dāng)中，結(jié)論會在12月月底上報。

總之，大力推進TD-LTE發(fā)展是中國移動面向未來實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措，打造TD-LTE精品網(wǎng)絡(luò)具有重大意義。中國移動將堅持TD-SCDMA和TD-LTE并舉的發(fā)展策略，持續(xù)推進TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化補點，提升客戶感知，不斷提高TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)分流手機終端數(shù)據(jù)流量的比例，同時要積極推進TD-SCDMA向TD-LTE的升級演進。
作者：中國移動設(shè)計院 高峰