多用戶(hù)MIMO：下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

摘要　文章從信道模型、收發(fā)兩端的相關(guān)信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度三個(gè)方面介紹了多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)，特別是虛擬MIMO技術(shù)，接著介紹了跨層研究的概況，最后給出了相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用情況。

1、引言

多入多出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，已經(jīng)有不少關(guān)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的研究。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)往往需要一個(gè)基站（BS）同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)（MS）進(jìn)行通信，比如最常見(jiàn)的蜂窩系統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等。因此，有關(guān)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多用戶(hù)MIMO（Multi-user MIMO）系統(tǒng)（如圖1所示）的研究也就應(yīng)運(yùn)而生，它比單用戶(hù)MIMO更加復(fù)雜。

2、多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)介紹

（1）信道模型

多用戶(hù)MIMO上行鏈路通常被稱(chēng)作多址接入信道（MAC），下行鏈路則為廣播信道（BC）。在上行鏈路中，所有用戶(hù)工作在相同的頻段上，向同一個(gè)基站發(fā)送信號(hào)，然后基站通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)區(qū)分用戶(hù)數(shù)據(jù)，主要問(wèn)題是基站如何針對(duì)不同的多址接入方式采用陣列處理、多用戶(hù)檢測(cè)（MUD）或者其他有效方法來(lái)分離各個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)。下行鏈路中，基站將通過(guò)處理的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換成多個(gè)數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖成形、調(diào)制，然后通過(guò)多根天線同時(shí)發(fā)送到無(wú)線空間，每一個(gè)接收天線接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶(hù)的信號(hào)與干擾噪聲的疊加，主要問(wèn)題是如何消除由此帶來(lái)的多址干擾（MAI）。

由于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中各用戶(hù)的信道彼此獨(dú)立，因此，用戶(hù)一般能夠知道自己的信道狀態(tài)信息，卻很難獲得其他用戶(hù)的信道信息，而獲得其他用戶(hù)信道信息需要付出很大的代價(jià)。也就是說(shuō)用戶(hù)之間很難進(jìn)行協(xié)作。與此相反，基站有條件獲得所有通信用戶(hù)的信道狀態(tài)信息，對(duì)于時(shí)分雙工系統(tǒng)（TDD），這可由基站接收的上行鏈路的訓(xùn)練或者導(dǎo)頻序列來(lái)獲得，對(duì)于頻分雙工（FDD）系統(tǒng)則可以通過(guò)反饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動(dòng)臺(tái)（MS）強(qiáng)得多，因此一般都是由基站在發(fā)射信號(hào)前做信號(hào)預(yù)處理（比如波束成形），以消除、抑制干擾或者在接收到信號(hào)之后進(jìn)行后處理來(lái)區(qū)分用戶(hù)。

與單用戶(hù)MIMO不同的是，多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的容量是一個(gè)多維的區(qū)域。假設(shè)總的發(fā)送功率一定，對(duì)于不同用戶(hù)有可能分配不同的功率，從而產(chǎn)生許多不同的信息速率，結(jié)果就形成了以用戶(hù)數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如，對(duì)于K個(gè)用戶(hù)，信道容量區(qū)域則用K維的容量來(lái)表示。

（2）收發(fā)兩端的信號(hào)處理

由于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)使用同一頻段，故可以應(yīng)用除頻分多址（FDMA）之外的其他多址接入方式。其中，時(shí)分多址（TDMA）頻譜效率較低，碼分多址（CDMA）需要消耗大量的碼資源，而空分多址（SDMA）沒(méi)有這兩個(gè)缺點(diǎn)。同時(shí)，多用戶(hù)MIMO的多天線也能夠很好地滿(mǎn)足空分多址對(duì)空間維數(shù)的要求，因此空分多址（SDMA）成為多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的一種重要的多址方式。實(shí)際上，為了更好地抵抗衰落，往往需要同時(shí)考慮時(shí)間和空間兩維，因此需要應(yīng)用空時(shí)編碼來(lái)構(gòu)造碼字。同時(shí)，空時(shí)譯碼算法和信道估計(jì)技術(shù)結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。

以多用戶(hù)MIMO下行鏈路為例，其空時(shí)處理方法主要有線性和非線性?xún)煞N。線性處理方法包括信道求逆法、塊對(duì)角化（BD）算法等。非線性處理方法即污紙編碼（DPC）主要有QR分解、網(wǎng)格編碼等。

（3）網(wǎng)絡(luò)調(diào)度

考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將引出很多與調(diào)度問(wèn)題相關(guān)的問(wèn)題。對(duì)于廣播信道，當(dāng)大量用戶(hù)通過(guò)快速時(shí)變信道共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，基站通過(guò)用智能調(diào)度算法改進(jìn)信道。一種方法就是以系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo)，即在用戶(hù)信道容量達(dá)到最大的時(shí)候向其發(fā)射信息，這就需要考慮網(wǎng)絡(luò)中哪些用戶(hù)在某一時(shí)刻被組合在一起同時(shí)進(jìn)行通信。用戶(hù)組內(nèi)利用空分多址接入，而組與組之間用其他接入方式，因此也必須考慮用戶(hù)之間的空間相關(guān)性。

另外，如果要兼顧有效性和公平性，問(wèn)題就更加復(fù)雜了，必須整體考慮，找一個(gè)折衷點(diǎn)。

2.2　存在的問(wèn)題——復(fù)雜度與性能的折衷

雖然多用戶(hù)通信的傳統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)被充分研究過(guò)了，但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中引入多天線之后，問(wèn)題又變得復(fù)雜起來(lái)了。多用戶(hù)MIMO具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如利用多天線的復(fù)用增益來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)的吞吐量，利用多天線的分集增益來(lái)提高系統(tǒng)性能，利用天線的方向性增益來(lái)區(qū)分用戶(hù)而消除用戶(hù)間的干擾等等。然而，如果聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，則必須把算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也考慮進(jìn)來(lái)，需要在性能和復(fù)雜度之間找一個(gè)折衷點(diǎn)。復(fù)雜度可以說(shuō)是多用戶(hù)MIMO技術(shù)所帶來(lái)的眾多優(yōu)點(diǎn)所必需付出的代價(jià)。前面提到的空時(shí)處理方法和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度都面臨著同樣的問(wèn)題。

以空時(shí)處理為例。線性的空時(shí)處理方法復(fù)雜度比較低，但是性能較差，進(jìn)一步迫近多用戶(hù)信道的總?cè)萘�，我們必須找到一種更好的處理方法，從這方面來(lái)說(shuō)，DPC是個(gè)不錯(cuò)的選擇，不過(guò)其編碼復(fù)雜度又太高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不容易。再加上如果將高斯信道擴(kuò)展到更加符合實(shí)際的時(shí)間和頻率選擇性信道，處理的復(fù)雜度也就更加高了。另外，目前多用戶(hù)MIMO信道的大部分處理方法都是假設(shè)發(fā)射端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息（CSI），由于系統(tǒng)會(huì)有一定的處理時(shí)延，當(dāng)信道變化劇烈的時(shí)候這實(shí)際上是很難得到的，因此還必須考慮得到的信道狀態(tài)信息不夠準(zhǔn)確（ICSI）的情況。

2.3　虛擬MIMO

在多用戶(hù)MIMO中，從實(shí)際出發(fā)，往往是假設(shè)各終端用戶(hù)之間是沒(méi)有協(xié)作的。對(duì)于多用戶(hù)MIMO的上行鏈路，存在一種特殊的形式，即每個(gè)用戶(hù)終端只有一個(gè)天線，但是它們之間存在一定協(xié)作的情況。WiMAX中已經(jīng)采用了這種技術(shù)，并將其稱(chēng)為虛擬MIMO（Virtual MIMO）。

理想的MIMO多天線系統(tǒng)要求相鄰天線之間的間距要遠(yuǎn)大于電波波長(zhǎng)，并且多個(gè)收發(fā)天線之間的傳輸信道是不相關(guān)的，而由于質(zhì)量、體積和功耗等的限制，移動(dòng)終端很難實(shí)現(xiàn)多個(gè)天線的安置。于是Sendonaris等人提出了一種新的空域分集技術(shù)——協(xié)作分集，其基本原理是：每個(gè)單天線的移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)合作伙伴（Partner），它除了要傳輸自己的信息之外，還要負(fù)責(zé)傳輸其合作伙伴的信息。這樣，相當(dāng)于相互協(xié)作的移動(dòng)終端共享了彼此的天線，構(gòu)造了一個(gè)“虛擬”的MIMO，虛擬MIMO因此得名。在虛擬MIMO系統(tǒng)中，每個(gè)終端在傳輸信息的過(guò)程中既利用了自己又利用了其它終端的空間信道，從而獲取了一定的空間分集增益，實(shí)現(xiàn)了單天線移動(dòng)終端的空域分集。在平衰落環(huán)境下，虛擬MIMO可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。

以無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為例�；�站由于功耗、體積限制更寬，處理能力更強(qiáng)，因此比移動(dòng)臺(tái)擁有更多的天線配置，而每個(gè)移動(dòng)臺(tái)鑒于質(zhì)量、體積和功耗的限制，只有一個(gè)天線。考慮上行鏈路，對(duì)于每一個(gè)移動(dòng)臺(tái)來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)SIMO系統(tǒng)。倘若把多個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)送聯(lián)合起來(lái)，動(dòng)態(tài)的將兩個(gè)單天線發(fā)送的移動(dòng)臺(tái)配成一對(duì)，共享移動(dòng)臺(tái)之間的天線，進(jìn)行虛擬的MIMO發(fā)送，這樣2個(gè)MIMO信道具有較好正交性的移動(dòng)臺(tái)可以共享相同的時(shí)/頻資源，從而提高上行系統(tǒng)的容量。移動(dòng)臺(tái)MS1除了要向基站傳送自己的信息外，還要把從移動(dòng)臺(tái)MS2接收到的信息發(fā)送給基站BS。同時(shí)，MS1的一部分信息也由MS2接收，并轉(zhuǎn)發(fā)給BS。這樣，MS1與BS間就產(chǎn)生兩條獨(dú)立衰落路徑：一條是MS1與BS之間的直接傳輸路徑；另一條是MS1、MS2與BS間的間接傳輸路徑，由此通過(guò)模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來(lái)獲得空間分集增益�；�站可以通過(guò)干擾抵消，ML等聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，能有效的對(duì)抗多用戶(hù)干擾。

Virtual MIMO技術(shù)目前已應(yīng)用于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)，它是WiMAX工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，也由3GPP WCDMA長(zhǎng)期演化計(jì)劃LTE和3GPP2 CDMA EV-DO版本C標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范�？梢哉f(shuō)，該技術(shù)為MIMO多天線技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。該技術(shù)具備上述眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它也將在一定程度上影響現(xiàn)有的商業(yè)模式。由于系統(tǒng)中的用戶(hù)之間需要相互合作，而不同用戶(hù)各方面條件（終端、信道條件、業(yè)務(wù)種類(lèi)等等）具有不對(duì)稱(chēng)性，協(xié)作過(guò)程中某特定用戶(hù)的“所得”和“所失”可能并不平衡，這就需要配備相應(yīng)的流量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行均衡，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果采取適當(dāng)?shù)姆绞綄?duì)相對(duì)“得到”較多的用戶(hù)進(jìn)行收費(fèi)，同時(shí)對(duì)“付出”較多的用戶(hù)進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。也只有這樣才可以驅(qū)動(dòng)用戶(hù)為其他用戶(hù)“付出”。

Virtual MIMO技術(shù)存在的主要問(wèn)題是協(xié)作用戶(hù)之間的同步問(wèn)題以及安全問(wèn)題。

3、跨層研究

現(xiàn)代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)采用分層協(xié)議模型，即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等。如果保持嚴(yán)格的模塊化，也就是說(shuō)每層只與相鄰層通信，則網(wǎng)絡(luò)效率較低，甚至可能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，跨層（Cross-layer）技術(shù)的概念被逐漸引進(jìn)來(lái)，即利用層間的協(xié)同算法，處理不同協(xié)議層類(lèi)似的問(wèn)題，如安全性、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、移動(dòng)性等等。媒體接入控制（MAC）層可以分配較長(zhǎng)的信道占用時(shí)間給調(diào)質(zhì)速率較低的鏈路，來(lái)滿(mǎn)足吞吐量的限制；網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議可以重傳信息，以減小高速率下的擁塞；應(yīng)用層可用編碼解決不同路徑的分集�？鐚釉O(shè)計(jì)的重點(diǎn)是找出關(guān)鍵層以及次要層，其中，關(guān)鍵層即需要重點(diǎn)考慮的一層，次要層是指忽略該層之后系統(tǒng)所產(chǎn)生的性能損失能夠達(dá)到最小的一層。目前，在多用戶(hù)MIMO方面已有相關(guān)的研究，例如，物理層結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層QoS的影響；MIMO自組織網(wǎng)絡(luò)（Ad Hoc）中媒體接入控制（MAC）層和物理層（PHY）的跨層設(shè)計(jì)；多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的跨層調(diào)度等等。

4、相關(guān)應(yīng)用

多用戶(hù)MIMO的典型應(yīng)用就是多天線基站的無(wú)線通信，即多天線基站同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信。另外，向多個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的多個(gè)蜂窩小區(qū)基站的協(xié)調(diào)也受到關(guān)注。

其實(shí)，許多發(fā)射終端能夠合作而MIMO信道接收端卻不能夠協(xié)作的情形，都可以應(yīng)用這種模型來(lái)分析。比如，每個(gè)用戶(hù)存在線間串?dāng)_的DSL系統(tǒng)下行鏈路就是這樣一種情形，基站合作的多包多接入信道，高速電路的片對(duì)片互聯(lián)，以及頻率選擇性信道中用于多址接入的正交頻率復(fù)用（OFDM）等等都可以。和蜂窩系統(tǒng)中的多徑一樣，在這些情形下，如果在發(fā)射和接收端進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，串?dāng)_和衰落就能提供額外的分集度。

在多用戶(hù)MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，不少公司也逐漸將其推向市場(chǎng)。例如，Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展了多天線技術(shù)。當(dāng)與多個(gè)無(wú)線用戶(hù)通信時(shí)，這種多天線接入點(diǎn)具備多用戶(hù)MIMO的提高吞吐量、增強(qiáng)分集度以及減少干擾的潛力。

目前，虛擬MIMO技術(shù)已逐漸向著商品化的方向邁進(jìn)。2006年10月，北電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了業(yè)界首次利用虛擬MIMO技術(shù)的無(wú)線傳輸試驗(yàn)。這一技術(shù)可以幫助移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商大幅度增加寬帶用戶(hù)。對(duì)于4G運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)意味著同樣的投資可以換來(lái)更大的收入。2007年5月，諾基亞西門(mén)子合資公司目前已經(jīng)與德國(guó)Fraunhofer電信研究所共同完成了虛擬多入多出技術(shù)（Virtual MIMO）的測(cè)試，大大提高手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度，下一代無(wú)線高速LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）手機(jī)的數(shù)據(jù)上傳速度能夠達(dá)到108Mb/s。這些無(wú)疑都為運(yùn)營(yíng)商向4G移動(dòng)通信技術(shù)演化提供了更加明確的途徑。

5、結(jié)束語(yǔ)

多入多出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，考慮到實(shí)際系統(tǒng)往往是一個(gè)基站（BS）同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)（MS）進(jìn)行通信的實(shí)際情況，多用戶(hù)MIMO更加貼近實(shí)際。作為多用戶(hù)MIMO技術(shù)中的特例，虛擬MIMO利用協(xié)作分集，更好地解決了終端的條件限制問(wèn)題，為MIMO多天線技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑，使得MIMO技術(shù)大規(guī)模商用的可能性大大增加。