Многоантенные технологии (MIMO) в LTE
Использование технологий MIMO (multiple input – multiple output) направлено на решение двух задач:
- повышения качества связи за счет пространственного временного/ частотного кодирования и (или) формирования лучей (beamforming),
- увеличения скорости передачи при использовании пространственного мультиплексирования.
В любом варианте MIMO речь идет об одновременной передаче в одном физическом канале нескольких сообщений. Для реализации MIMO используют многоантенные системы: на передающей стороне имеется M передающих антенн, а на приемной стороне N приемных. Эту структуру поясняет рис. 6.9.
Рис. 6.9. MIMO структура
Математическая модель, описывающая систему (рис.6.9), представляет собой векторное уравнение
r = H × s + n (6.1)
где n– вектор помех на входе приемников. Коэффициенты передач между различными передающими и приемными антеннами определяет матрица H:
(6.2)
элементы которой hij являются комплексными коэффициентами передачи между i приемной антенной и j передающей. Они должны быть между собой некоррелированными. Коэффициенты hij приемник рассчитывает, принимая опорные сигналы. Эти опорные сигналы передающие антенны передают по установленному алгоритму. В действующих сетях LTE MIMO главным образом используют при передаче вниз. Но стандарт LTE-A предусматривает широкие возможности применения MIMO вверх. Основная сложность в реализации подобных систем состоит в выборе оптимальных алгоритмов приема.
Рассмотрим простую задачу пространственного мультиплексирования, когда на передающей стороне (eNB) 2 антенны и на приемной (UE) – тоже 2 приемные антенны. (рис.6.10). Поток символов s1 идет через передающую антенну Tx1, поток символов s2 через передающую антенну Tx 2. Каждая приемная антенна (Rx1 и Rx2) принимает взвешенную сумму сигналов s1 и s2. Векторное уравнение (6.1) будет следующим:
r1 = h11 s1 + h12 s2 + n1
r2 = h21 s1 + h22 s2 + n2 (6.3)
Рис. 6.10.. Пространственное мультиплексирование 2×2
Задача приемника абонентского терминала состоит в том, чтобы получить из принятых сигналов s1 и s2. Сигналы r1 и r2 принимает приемник мобильного терминала. Для решения системы линейных уравнений (6.3) необходимо знать коэффициенты передач hij. Для этого каждая передающая антенна транслирует специальные заранее известные опорные сигналы, принимая которые приемник определяет массив коэффициентов передачи hij. В результате получаем:
где 
Вычислив обратную матрицу H-1, получаем
(6.4)
Система (6.4) представляет собой алгоритм работы ZF-приемника. Разделение приемником сигналов s1 и s2 возможно, если существует обратная матрица H-1, то-есть, коэффициенты передачи hij между собой некоррелированы.
При использовании пространственного мультиплексирования существенно усложняется построение приемников. Каждый независимый поток данных создает помехи другим потокам. Поэтому пространственное мультиплексирование реализуют в “хороших” каналах, с высоким отношением сигнал/помеха. Для разделения потоков в приемнике необходимо, чтобы число приемных антенн N было не меньше числа передаваемых потоков данных. Если принять, что каждый поток идет через одну передающую антенну, то в соответствии с рис.6.9 N 
M. Теория и практика показывают, что с увеличением числа приемных антенн (например, при N=4 и М=2 в сравнении с вариантом N=2 и М=2) коэффициент ошибок снижается.
Максимальное число независимых потоков при пространственном мультиплексировании может достигать 8. Для увеличения скорости передачи также используют агрегацию полос. Теоретически число независимых частотных каналов, которые принимает приемник UE, может достигать 5. Если приемник принимает сигнал в 4 полосах по 20 МГц, то при использовании пространственного мультиплексирования 4×4 при CQI = 15 (табл. 6.4) сквозная скорость передачи составит 75 × 4 × 4 > 1 Гбит/с.