無線通信系統(tǒng)中的閉環(huán)MIMO技術(shù)

摘要

多入多出（MIMO）技術(shù)被認(rèn)為是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要討論能夠進(jìn)一步提升多天線系統(tǒng)容量的閉環(huán)MIMO技術(shù)，即帶有反饋的MIMO系統(tǒng)。反饋的信道信息既可以提高單鏈路的傳輸性能，也可以優(yōu)化多用戶之間的調(diào)度問題。我們給出了幾種在未來無線通信系統(tǒng)中可能采用的閉環(huán)MIMO方案，包括基于SVD分解和基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)，分析并比較了它們的性能。仿真結(jié)果表明，閉環(huán)MIMO技術(shù)將有效地提高通信系統(tǒng)的性能。

1 引言

采用多個(gè)發(fā)射和接收天線的多入多出（MIMO）技術(shù)是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能有效利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來提高傳輸速率。3G-LTE和WiMAX系統(tǒng)都采用了MIMO技術(shù)來提高其性能，IEEE802.16e和WCDMA的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MIMO系統(tǒng)的功能。

MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型：最大化傳輸速率的空間復(fù)用方案（Spatial Multiplexing，SM）和最大化分集增益的空時(shí)編碼方案（Space-Time Coding，STC）。空間復(fù)用主要通過在不同天線發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，如BLAST算法�？諘r(shí)編碼如STBC和STTC空時(shí)算法等，可獲得分集增益，但不能提高數(shù)據(jù)速率。

以上兩種方案的發(fā)射端都不需要信道信息（CSI），稱之為開環(huán)MIMO系統(tǒng)。在信道變化較慢的場合，如大城市的室內(nèi)環(huán)境和游牧式的接入服務(wù)，閉環(huán)MIMO系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。閉環(huán)MIMO系統(tǒng)是接收端將信道信息反饋給發(fā)射端，然后對傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼、波束成型或者天線選擇等操作。閉環(huán)MIMO的反饋方式又可以分為全反饋和部分反饋等。全反饋是將全部信道信息反饋給發(fā)射端，由于反饋鏈路要占用系統(tǒng)開銷，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般都采用部分反饋技術(shù)。例如反饋信道的統(tǒng)計(jì)特征值、SVD分解值、基于碼本的碼字序號(hào)等，實(shí)現(xiàn)性能和復(fù)雜度的權(quán)衡。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多徑及多徑時(shí)延擴(kuò)展是移動(dòng)通信中存在的主要問題。多徑傳播將導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰落，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致符號(hào)間干擾，這將會(huì)嚴(yán)重地影響通信鏈路的質(zhì)量。為了克服無線信道中的衰落，OFDM技術(shù)也被引入下一代無線通信系統(tǒng)中，和MIMO技術(shù)相結(jié)合，組成下一代無線通信技術(shù)的物理層核心技術(shù)。

本文主要討論閉環(huán)MIMO技術(shù)，我們給出基于SVD分解的和基于碼本的典型預(yù)編碼方案，然后比較其復(fù)雜度和性能，最后給出仿真結(jié)果并討論其在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

2  系統(tǒng)模型

如圖1所示，具有Nt個(gè)發(fā)射天線和Nr個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)模型可表示為：

y=Hs+n                                                                           (1)

其中y∈CNr×1，s∈CNt×1和n∈CNr×1分別表示接收符號(hào)、發(fā)射符號(hào)和和加性高斯噪聲序列，H∈CNr×Nt為信道矩陣。

圖1  MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

若發(fā)射端已知信道H的信息，可以對信道進(jìn)行預(yù)編碼（波束成形），以獲得更好的傳輸性能。信道信息可由接收端反饋或者發(fā)送訓(xùn)練序列到發(fā)射端獲得。這就是閉環(huán)MIMO系統(tǒng)，其一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  閉環(huán)MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

閉環(huán)MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端的預(yù)編碼處理是通過預(yù)編碼矩陣P和發(fā)射數(shù)據(jù)相乘來實(shí)現(xiàn)的：

y=HPs+n                                                                            (2)

=（HP）-1y

當(dāng)發(fā)射端可以獲得準(zhǔn)確的信道信息時(shí)，最佳的傳輸方式可以通過信道矩陣的奇異值（SVD）分解來獲得m（m<min（Nt，Nr））個(gè)獨(dú)立的并行子信道，并利用注水原理進(jìn)行信息分配。這時(shí)系統(tǒng)可以表示為：D={d1，d2，…dm}

r=UHy=UH（HVs+n）=UH（UDVH）Vs+UHn=Ds+UHn                                    (3)

r=Ds+UHn

=D-1r

圖3示意了基于SVD的閉環(huán)MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖。

圖3  閉環(huán)MIMO SVD結(jié)構(gòu)圖

其中，U和V分別是接收端和發(fā)射端的預(yù)處理矩陣，D是信道H的奇異值矩陣，U和V為酉矩陣，D為對角矩陣。

3  閉環(huán)MIMO技術(shù)分析

3.1  基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)

在實(shí)際通信系統(tǒng)中，反饋信道信息會(huì)占用較多的資源，而且在快衰落信道中，對反饋信息的效率和準(zhǔn)確度要求較高，這時(shí)采用部分反饋的方法較為合適。最典型的部分反饋方案包括：基于碼本的預(yù)編碼，基于統(tǒng)計(jì)量的預(yù)編碼等。接收端收到訓(xùn)練序列之后，從一系列的碼字集中搜索出來的最佳的預(yù)編碼矩陣 ，并將其序號(hào)和信道信噪比信息反饋給發(fā)射端。

碼本的構(gòu)造和選擇是預(yù)編碼技術(shù)的首要問題。碼本是對最優(yōu)預(yù)編碼矩陣的一個(gè)量化，碼本的大小和各碼字之間的距離影響預(yù)編碼的性能。典型的碼本構(gòu)造包括Grassmannian方法和正交碼字構(gòu)造法。前者是根據(jù)決定Grassmannian流形來使得任意兩個(gè)碼字之間的歐氏距離最大，后者是利用正交矩陣進(jìn)行構(gòu)造，如FFT，DCT和Harmard矩陣等。前者屬于非規(guī)則碼字，兩個(gè)碼字之間有干擾，而后者任意兩個(gè)碼字之間相互正交。

3.2  基于SVD分解的預(yù)編碼技術(shù)

SVD分解相當(dāng)于通過虛擬的m（m<min（Nt，Nr））個(gè)子信道傳輸數(shù)據(jù)。原理如公式（3）和圖3所示。這時(shí)反饋信息較多，包括V矩陣信息和信噪比等。當(dāng)天線數(shù)較多時(shí)，反饋量較大。

3.3  多用戶系統(tǒng)的預(yù)編碼技術(shù)

隨著MIMO技術(shù)的成熟，多用戶MIMO技術(shù)也將應(yīng)用于實(shí)際的無線通信系統(tǒng)。典型的應(yīng)用如多個(gè)接收天線的移動(dòng)臺(tái)的多用戶分集傳輸和多用戶檢測等，使系統(tǒng)的吞吐量最大化。預(yù)編碼（波束成形）方法會(huì)選擇最高SNR的用戶，并使得不同用戶之間的干擾最小。和點(diǎn)對點(diǎn)的系統(tǒng)相比，這時(shí)基站端不僅要處理不同移動(dòng)臺(tái)反饋的信道信息，還要對不同用戶之間的預(yù)編碼進(jìn)行矩陣匹配，以獲得最佳的數(shù)據(jù)傳輸。

以上這些根據(jù)信道信息采用的預(yù)編碼（波束成形）方案，其發(fā)射和接收機(jī)制的優(yōu)化準(zhǔn)則包括：

（1）信道信息（CSI）的誤差；

（2）反饋信息（碼本）的設(shè)計(jì)；

（3）反饋信息的優(yōu)化策略（碼本的選擇）。

4  仿真結(jié)果

下面給出一些預(yù)編碼方案的仿真結(jié)果，用以驗(yàn)證預(yù)編碼的效果。我們采用ITU信道模型（步行A，3km/h），設(shè)發(fā)射天線數(shù)為2，接收天線數(shù)為2，調(diào)制方式為64QAM，采用1/2卷積編碼。發(fā)射天線和接收天線的相關(guān)系數(shù)分別為0.2和0，信道為平衰落Rayleigh信道模型，假設(shè)各天線間信道相互獨(dú)立。基于無反饋STC空時(shí)編碼、SVD的預(yù)編碼反饋和理想反饋的誤包率曲線如圖4所示。從圖中可以看出，閉環(huán)MIMO系統(tǒng)要優(yōu)于開環(huán)系統(tǒng)，基于SVD的與編碼系統(tǒng)要優(yōu)于有碼本的預(yù)編碼系統(tǒng)。

圖4  閉環(huán)和開環(huán)MIMO系統(tǒng)的性能比較

5  結(jié)束語

從以上討論和仿真結(jié)果可以看出，閉環(huán)MIMO技術(shù)是未來移動(dòng)通信中一種很有潛力的技術(shù)。隨著MIMO技術(shù)在蜂窩網(wǎng)中的應(yīng)用越來越成熟，關(guān)于MIMO技術(shù)的研究也從單用戶點(diǎn)到點(diǎn)的環(huán)境中擴(kuò)大到多用戶MIMO系統(tǒng)。多用戶MIMO的閉環(huán)解決方案也是3G LTE和WiMAX系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。最常見的解決方案包括：塊對角化、逐次最優(yōu)化、波束成形法以及結(jié)合空時(shí)編碼來消除多用戶之間的干擾。

對于閉環(huán)MIMO-OFDM系統(tǒng)，如果各子載波都要進(jìn)行信道信息反饋，則反饋鏈路的開銷較大。如何設(shè)計(jì)減小反饋的數(shù)據(jù)量，也是MIMO-OFDM系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一。