從MIMO說起，深度解讀pCell技術

任曙光 2015-06-24

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有人說pCell技術是無線產業(yè)的一次顛覆，也有人說，它是5G技術的替代。

甚至，有人說，它突破了香農極限！好吧，那我們就從香農理論說起。

香農理論是這樣描述的：

C <= B log2 (1 + S/N)

C=信道容量（bit每秒）

B=帶寬（HZ）

S/N=信號和噪聲比（SNR）

信道越好，SNR就越高。舉個例子，當SNR為20DB，log2 (1 + 100) = 6.6。也就是說，SNR越高，信道容量越高；反之亦然。

通信技術一直受限于香農極限，直到像MU-MIMO這樣的多用戶傳輸技術出現。

說到多用戶傳輸技術，我們先來理解一下MIMO。

提升頻譜效率，這是通信宅們矢志不渝的終極目標。直到有一天，他們發(fā)現采用大量天線可以提升頻譜效率，于是，MIMO技術（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出技術）就誕生了。

什么是MIMO技術？MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號在相同的頻率下同時傳送。采用多天線的MIMO技術可以提升系統(tǒng)容量，提高頻譜效率。

如下圖所示，MIMO技術是利用了無線電波在傳輸路徑中受建筑物或地面反射的特點。

廣義上講，MIMO技術分為三種類型：全向傳送（a）、賦形波束(Beamforming)傳送（b）和多用戶MIMO（Multiuser MIMO，MU-MIMO）（c），如下圖所示：

全向傳送型（a）是最基本的MIMO方法，其需要在接收端移除干擾，需要終端采用復雜的信號處理機制來提升性能。

賦形波束傳送（b），天線方向由賦形波束控制，減少了終端負擔，這種類型MIMO的重點是如何有效完成波束賦形。

最后一種類型是MU-MIMO（Multiuser MIMO，多用戶MIMO）。區(qū)別于多用戶MIMO，我們通常把前面兩種類型統(tǒng)稱為SU-MIMO（單用戶MIMO）。MU-MIMO可以將多個終端聯合起來進行空間復用，不但可以有效提升系統(tǒng)容量，還能保持終端處理簡單化。不過，從類型a到c，技術的門檻越來越高，要實現MU-MIMO，有很多問題需要解決。

對于SU-MIMO（單用戶MIMO），即使基站側可以不受限于天線數量，但在移動終端側，由于成本和終端尺寸的原因，受限于天線數量，從而限制了MIMO的發(fā)展。

對于MU-MIMO系統(tǒng)，多個用戶終端的天線同時使用，多個用戶終端同時交換信息，這樣一來，基于大量的基站和用戶終端天線，形成了一個大規(guī)模的虛擬的MIMO信道系統(tǒng)。所以，較之SU-MIMO，我們就需要從整個網絡的角度更宏觀的去思考如何使用MU-MIMO來提升系統(tǒng)容量。

MU-MIMO是未來要實現的目標，它到底有多強？來自NTT 網絡創(chuàng)新實驗室的實驗結果給出了答案。

NTT網絡創(chuàng)新實驗室部署了一個16*16天線的MU-MIMO無線傳播測試環(huán)境。如下圖：

該實驗環(huán)境由16陣元基站天線和帶4陣元天線的4個終端用戶組成，實驗結果測出的速率可達43.5至50bits/s/Hz（平均SNR為31-36dB），這就意味著，當我們使用20MHZ無線帶寬時，峰值速率可達到870Mbps至1Gbps，而這一峰值速率會隨著天線數量的增加而上升。然而，目前LTE 20M帶寬峰值理論最高下載速率僅為150Mbps。

實驗結果表明，即使終端僅采用2或4個天線陣元，MU-MIMO的速率也遠遠高出單用戶MIMO，其對比結果如下圖，有興趣可以看看：

在MIMO的三種類型圖中，我們看到，MU-MIMO需要在基站側進行資源分配，所以，預編碼技術（Precoding）和調度技術（scheduling）就尤其重要，前者可以提升空間分集和空間復用增益，而后者可以提升多用戶分集增益。通常認為，采用閉環(huán)控制的預編碼技術比開環(huán)控制的預編碼技術可獲得更高的系統(tǒng)性能，因為閉環(huán)控制可以在發(fā)射端通過CSI（信道狀態(tài)信息）來優(yōu)化信號發(fā)射。

不管是SU-MIMO還是MU-MIMO，它們都被LTE標準采納。SU-MIMO的目標是提升小區(qū)最大頻譜效率和小區(qū)邊緣性能，但是，它無法提升多用戶分集增益。

由于MU-MIMO實現多個用戶在空間上復用，它比SU-MIMO提供了更自由的空間維度，所以MU-MIMO的目標也更高級，它致力于提升小區(qū)平均頻譜效率，這一技術實現的難點在于，如何在有限的信道反饋環(huán)境下提升小區(qū)平均頻譜效率？如何部署可以支持SDMA(Space Division Multiple Access)的預編碼技術？如何通過更低的計算復雜性來完成調度？

盡管MU-MIMO還沒實現，不過通信人總是高瞻遠矚，試想一下，隨著移動數據流量的不斷上升，小區(qū)覆蓋半徑必然越來越小，對于頻率復用因子為1的LTE網絡，小區(qū)間的干擾必將越來越嚴重。如何在有限頻率資源下，進一步提升小區(qū)邊緣性能和小區(qū)平均容量？于是，有人提出了Co-MIMO（協(xié)作式MIMO）技術。

Co-MIMO技術實現多個發(fā)射機間協(xié)作預編碼和調度，這一技術在多個發(fā)射機之間高速共享信道信息。

我們把共同協(xié)作完成預編碼和調度的區(qū)域叫協(xié)作區(qū)域，這一區(qū)域通常由一個基站和多個RRE（Remote Radio Equipments，射頻拉遠設備）組成。協(xié)作區(qū)域里有多個小區(qū)，協(xié)作區(qū)域之間不會相交。

那么Co-MIMO技術是怎樣完成調度的呢？

移動終端測量來自多個RRE的SINR（Signal to Inter- ference plus Noise Ratio），移動終端識別最好SINR的RRE為主站，在根據一定的范圍值篩選較差的SINR的RRH為從站，移動終端會將這些從站的信道信息上報給主站。當每一個RRE都接收到了來自每個移動終端的反饋信息后，它將此信息報告給基站，基站將綜合這些信道信息進行該協(xié)作區(qū)域內的預編碼和調度。

看起來確實是個不錯的方案，不過Co-MIMO這一技術面臨的挑戰(zhàn)是減少反饋信息和減小預編碼/調度的計算復雜性。

好了，墨跡了這么久MIMO技術，我們該回到pCell的DIDO技術上來了！

pCell技術的關鍵是需要將“個人小區(qū)”連接到同一個“DIDO Data Center”。需要發(fā)送的信息，首先傳輸到“Data Center“，由“Data Center” 處理之后，每個“個人小區(qū)”協(xié)同發(fā)送信號。在WIFI環(huán)境下，網絡服務器的數據是直接發(fā)到相應的AP，再由AP無線發(fā)射到接收終端，而PCELL技術多了一個DIDO Data Center ，數據不是直接發(fā)給相應AP，而是先發(fā)送到DIDO Data Center進行處理后再協(xié)同發(fā)送。