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频段和信号那些事:浅谈LTE的MIMO多天线技术

我们在许多手机的参数配置中都看到过,该手机支持4*4 MIMO技术,可以大大提升手机信号等等。不过,终端制造商没有过多的解释什么是4*4 MIMO,消费者也只是记住了MIMO技术能让手机信号更好,但是MIMO到底能不能让手机接收信号变好、MIMO是以什么样的工作原理改善信号质量的,这些对消费者而言,并不是很清楚。

作者:沧海来源:IT之家|2019-04-04 13:49

我们在许多手机的参数配置中都看到过,该手机支持4*4 MIMO技术,可以大大提升手机信号等等。

不过,终端制造商没有过多的解释什么是4*4 MIMO,消费者也只是记住了MIMO技术能让手机信号更好,但是MIMO到底能不能让手机接收信号变好、MIMO是以什么样的工作原理改善信号质量的,这些对消费者而言,并不是很清楚。

那么到底什么是MIMO呢?它真的能让手机信号变得更好吗?

答案是真的能。

何为MIMO?

MIMO多天线技术是LTE大幅提升吞吐率的物理层关键技术,MIMO技术和OFDM技术一起并称为LTE的两大最重要物理层技术,前者是多天线技术,后者是正交频分复用技术。

MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,它与传统的信号处理方式的不同之处在于其同时从时间和空间两个方面研究信号的处理问题,从而能够在不增加带宽与发射功率的前提下,提高系统的数据速率、减少误比特率、改善无线信号的传送质量。

正如前文所说,MIMO是多天线技术,是LTE的物理层技术之一,请注意是物理层技术。

再说这个之前,需要提到一个公式——香农公式。

  1. C=B*log2(1+S/N) 

上面的公式中,香农给出了单发射天线、单接收天线的SISO无线信道的极限容量公式。SISO与MIMO相对,MIMO是多输入多输出,SISO是单输入单输出。

B为信道带宽,S/N为接收端信噪比(一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号,噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号(或信息),并且该种信号并不随原信号的变化而变化,单位为dB)。

由香农公式我们可以得知,提高SNR或增加带宽可以增加无线信道容量。但发射功率和带宽都是有一定限度的。在一定带宽条件下,SISO无论采用什么样的编码和调制方式,系统容量都不可能超过香农公式极限。目前广泛使用的Turbo码、LDPC码,使信道容量逼近了信道容量极限。

这里需要注意的是,LTE中多天线技术没有突破香农公式定义的极限,而是相当于多个单信道的组合。

我们设定N是发射天线数量,M是接收天线数量,MIMO是一种多天线技术,那么其天线配置则可以表示为N*M;现有的天线配置有1*2(1收2发)、2*2、2*4、4*4等。

假设发射端各天线发射独立的等功率而且各信号满足瑞利分布,根据MIMO系统的信道传输特性和香农信道容量的计算方法,那么我们可以推导出平衰落MIMO系统信道容量近似表达式为:

  1. C={min(N,M)}B*log2(S/2N) 

min(N,M)指的是发射天线数量N和接收天线数量M中的最小者。

我们可以看到的是,MIMO系统容量会随着发射端或接收端天线数中较小的一方min(N,M)的增加而线性增加。

2×2天线配置的MIMO系统和2×4天线配置的MIMO系统,其极限容量是差不多大的,因为“N”都是2,但是这并不是说“M”的“4”就没有用。实际上,发射天线数量的翻倍,起到了分集作用,改善了接收端信噪比,增加了下行容量,提高了下行速率。

我们可以简单的将其理解为木桶短板效应。能接收到的信号质量取决于N、M中较小的那一个,也就说你发射的再多,我接收天线的就这么几根,其余都是浪费;或者你发射的就那么一点,我接收天线再多,也是白搭,不是很准确,可以做这么一个理解。

再进一步理解MIMO技术,可以分为两部分。

当多天线在发射信号时,制作同一个数据流的不同版本,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送;接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将同一数据流的不同接收信号合并,还原为初始数据,这个过程我们一般称其为空间分集,将信号分开传输,这样可以保证信号的可靠性。

当然,如果多天线把一个高速的数据流分割为几个速率较低的数据流,分别在不同的天线进行编码、调制,然后发送。天线之间相互独立,接收机利用空间均衡器分离接收信号,然后解调、解码,将几个数据流合并,还原初始信号,这个过程一般叫做空分复用,其目的是为了提高信息传送效率。

空间分集和空分复用是MIMO技术中的两个关键技术,保证了MIMO技术能为用户面带来更好的LTE速率感知——既可靠又高效。

4*4 MIMO技术,中国移动B41专属?

工作原理我们知道了,那么这个MIMO技术在实际生活中的工作场景是怎么样的呢?

小编做了一张图,供大家参考。

上图我们可以看到,2*2MIMO技术是指运营商基站侧配备有两个天线进行双数据流传输,此时手机终端的两个接收天线对双数据流进行接收;2*4 MIMO也是同样的道理。

所谓的4*4 MIMO,无非就是基站4发手机4收,有4个数据流并发,与传统2*2 MIMO相比速率翻倍,就好比双车道变为四车道一样,是路变宽了而不是换了条路。

现在网上有个说法,说是4*4 MIMO技术只支持移动的B41频段,并称中国联通、电信没有4*4 MIMO,因为这个技术是跟“频段有关”,那么问题来了,果真如此吗?

我们来分别回答上述问题。

第一,4*4MIMO技术只支持移动B41频段?中国联通、电信都没有?

首先,从MIMO技术的原理来看,这个技术跟频段是没有什么必然关系的,如果真的有关系,那么支持中国移动某一频段的4*4 MIMO需要4根接收天线,支持电信的再来4根,支持联通的再来4根,作为全网通手机而言,要支持三网的4*4 MIMO最少需要16根天线,而且只是支持其中一个频段,比如中国移动有D、E、F等频段,联通电信也有好几个频段...

许多网友表示这个技术是中国移动B41频段专属,联通、电信不支持,为此,小编特意咨询了青岛联通内部工作人员,得到的回复是:“现网的LTE都是4*4的”。

这也就是说,中国联通的LTE基站是支持4*4 MIMO的,而且现网LTE基站都支持4*4 MIMO多天线技术,这也就印证了4*4 MIMO技术不是中国移动B41频段专属,该技术与频段并没有什么关系。

其次,为什么会有只有中国移动B41频段支持4*4 MIMO这个说法呢?而且网上的搜索结果很多都是“4*4 MIMO只支持中国移动B41频段”,这个说法是怎么来的呢?

我们可以参考一下知名电视媒体人,数码博主的Vetrax嚣张卫视说法。

该博主表示,“能搜到B41明确支持是中国移动有终端强制要求,1500元以上价位的入网终端必须支持,但不意味着其它运营商没有。”

而青岛联通内部工作人员也给出了相应的回复,中国联通现网LTE已经是4*4 MIMO了,这也印证了“4*4 MIMO只支持中国移动B41频段”这个说法不实,从而间接证实了该博主的“但不意味着其他运营商没有”这一说法。

其实我们可以这么理解,多了两根接/收天线,难道就能改变手机或LTE基站所支持的频段吗?

总结:

我们从MIMO多天线技术的原理可以看出,从头到尾都没有提及MIMO技术跟频段是有直接关系的,中兴的MIMO技术资料小编也是找了许多,依旧没有找到所谓的4*4MIMO技术是中国移动B41频段专属的相关言辞。

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【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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