多用戶MIMO系統(tǒng)下行傳輸技術研究

董 崢,趙 娜,王 森,陳念茹

(中國人民解放軍61081部隊,北京100094)

0 引言

目前,關于點對點單用戶MIMO系統(tǒng)信號處理與空時編碼理論與方法的研究成果已日趨豐富。然而實際無線通信系統(tǒng)往往需要一個基站同時和多個移動用戶進行通信,因此多用戶MIMO系統(tǒng)[1,2]的研究應運而生。由于多用戶MIMO系統(tǒng)具有時間、頻率、空間和用戶的多維自由度,并且下行傳輸數(shù)據(jù)量通常遠大于上行數(shù)據(jù)量,因此下行各用戶之間的聯(lián)合處理,即優(yōu)化和整合這些自由度來獲得最大的系統(tǒng)容量是系統(tǒng)設計的最終目的,從而多用戶MIMO下行傳輸技術的研究被認為是解決未來無線通信發(fā)展瓶頸的有效途徑,成為當前研究的熱點問題。

1 系統(tǒng)模型

在多用戶MIMO系統(tǒng)中,上行鏈路被稱作MIMO多址接入信道,下行鏈路則為MIMO廣播信道。上行鏈路中,所有用戶工作在相同頻段上且向同一個基站發(fā)送信號,基站可以針對不同的多址接入方式采用陣列處理,利用多用戶檢測等技術分離出各個用戶的數(shù)據(jù)。下行鏈路中,基站同時向通信中的移動臺發(fā)送數(shù)據(jù),一個移動臺對應一個用戶。任何一個用戶接收的信號都包含基站發(fā)送給所有通信用戶的信號,從而產(chǎn)生多用戶干擾。由于多用戶MIMO系統(tǒng)各用戶信道彼此獨立,除非用戶已知所有用戶的信道狀態(tài)信息,否則它不可能像點對點MIMO系統(tǒng)那樣,根據(jù)完整的信道矩陣分解出發(fā)送數(shù)據(jù)。實際上,多用戶之間很難協(xié)作,一個移動臺若要獲得其他所有移動臺的信道信息必須付出巨大代價。同時,因為基站可以獲得移動臺的信道信息,因此在信號發(fā)射前,通常由基站進行預處理來消除多用戶干擾。下行鏈路的空分多址即為基站利用已知的信道信息經(jīng)過變換使多用戶間形成彼此獨立的等效空間信道來消除干擾,進而實現(xiàn)同時向多個移動臺發(fā)送信息。

在多用戶MIMO系統(tǒng)研究中,通常假設發(fā)射機已知所有用戶的信道信息,在時分雙工系統(tǒng)中通過基站接收上行鏈路的訓練或導頻序列獲得;在頻分雙工系統(tǒng)中可以智能地通過反饋獲得各個用戶信道信息。假定多用戶MIMO系統(tǒng)共有K個用戶,第k個用戶的天線數(shù)為NRk,基站有N_T根天線,通常把這種配置的多用戶MIMO系統(tǒng)記為。H是由所有用戶的信道矩陣構成的整體,用戶k的信道矩陣記為Hk。在某些實際系統(tǒng)中,移動臺只能有一根天線,即單天線用戶的多用戶MIMO系統(tǒng)。一個簡單的多用戶MIMO系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 多用戶MIMO系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)下行傳輸技術

多用戶MIMO系統(tǒng)的下行傳輸技術主要分為基站完全已知信道狀態(tài)信息的線性預處理和非線性處理技術,以及基站知道部分信道狀態(tài)信息的部分信息預編碼技術,下面分別加以闡述。

2.1 線性預處理

通?；景凑漳撤N準則選擇調度將要通信的K個用戶,然后將這些用戶的數(shù)據(jù)流dk經(jīng)過預處理發(fā)射出去,經(jīng)過調制矩陣M預處理,發(fā)送數(shù)據(jù)向量包含發(fā)送給所有通信用戶的數(shù)據(jù),這里的線性預處理也可以被認為是波束成形。接收端移動臺k則可以通過解調矩陣D對接收信號進行線性處理從而恢復出相應的數(shù)據(jù)。常見的線性預處理方法包括:信道逆處理[3](Channel Inversion)、塊對角化[4]以及收發(fā)聯(lián)合編碼等。

2.1.1 信道逆處理

不論用戶采用一根還是多根天線,一種顯而易見的消除多用戶間干擾的辦法就是信道逆處理。發(fā)射機進行信道逆處理,就是令調制矩陣M為信道矩陣H的廣義逆矩陣,最終使信道完全對角化,每個用戶都對應一個或者一組等效單輸入單輸出信道,也被稱為迫零預編碼,看作是迫零的波束成形方法。這樣一個用戶的每根天線就僅能接收到一個信號。接收機的接收處理過程非常簡單,但通常要求發(fā)射天線數(shù)不小于所有通信用戶接收天線數(shù)之和。然而,信道逆處理過程即使已知信道信息,信道容量也不能隨天線數(shù)的增加而線性增長,而且在用戶的天線間相關性較大時,系統(tǒng)的吞吐率會降低,因此信道逆處理不是最優(yōu)的,要么吞吐量減少,要么必須提高發(fā)射功率。類似于最小均方誤差算法的規(guī)格化信道預逆處理則能夠很好地解決這個問題,其預處理矩陣可以使接收的信號干擾噪聲比最大化。

2.1.2 塊對角化

塊對角化是多用戶MIMO系統(tǒng)處理多天線用戶的一種常用方法。塊對角化預處理是尋找使得H?M為塊對角陣的調制矩陣M,從而形成多個獨立并行的等效單用戶MIMO信道,各個用戶之間的干擾為零。此時,針對每個用戶仍然可以采用已有的單用戶MIMO系統(tǒng)的技術,例如垂直-貝爾實驗室分層空時結構、最大似然檢測、收發(fā)聯(lián)合處理的奇異值分解等方法,同時針對各個用戶可以分別采用注水方法進一步使系統(tǒng)容量最大化。盡管這種對角結構未必是最優(yōu)方案,但最優(yōu)結果往往近似于對角結構。一方面,等效的單用戶MIMO信道和傳統(tǒng)的單用戶MIMO信道具有相同的特性,增加基站發(fā)射天線數(shù)目會使所有用戶的等效MIMO信道的發(fā)射天線數(shù)目增加;另一方面,隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加,在保證單個用戶的信道容量情況下,系統(tǒng)所能容納的總用戶數(shù)也會增加。

在塊對角化中,為了完全抵消用戶間干擾,傳輸天線數(shù)需要大于系統(tǒng)內接收天線數(shù)的總和,從而限制了同時傳輸?shù)挠脩魯?shù)。因此,當系統(tǒng)內用戶數(shù)多時,同樣存在多用戶調度的問題。此外塊對角化方法還要求每用戶發(fā)送數(shù)據(jù)流等于其接收天線數(shù),這樣才可以更好地消除用戶間干擾問題。

2.1.3 收發(fā)聯(lián)合編碼方法

收發(fā)端聯(lián)合編碼算法的基本思想是在總發(fā)射功率一定的約束下,優(yōu)化系統(tǒng)整體均方誤差,通過收發(fā)迭代得到發(fā)送矩陣和接收矩陣,即如果發(fā)射機已知所有接收機的最佳波束成形權向量,它就可以利用該信息在發(fā)射機進行預處理,這樣就使得接收信號經(jīng)過接收機波束成形后相當于一個單天線信道,大大消除了各用戶之間的干擾,實驗仿真表明該算法的性能優(yōu)于其他已有線性預編碼算法。

2.2 非線性處理技術——污紙編碼

污紙編碼[5](Dirty Paper Coding,DPC)是一種非線性處理技術,基本思想是若發(fā)射機預先確知信道間的干擾,那么在發(fā)射時可以通過預編碼來補償干擾帶來的影響,信道容量與無干擾情況下相當。如果把干擾看作紙上的污跡,而信號是墨水的話,污紙編碼的目的不是去除污跡,而是根據(jù)污跡設計一種編碼來調整發(fā)射信號,使得接收信號不含污跡。

在一個加性干擾系統(tǒng)中,當發(fā)射機己知而接收機未知干擾信息時,可采用DPC技術來實現(xiàn)等價于無干擾時的信道容量。在MIMO廣播系統(tǒng)中,當發(fā)射機完全獲知信道狀態(tài)信息時,應用DPC原理可實現(xiàn)的系統(tǒng)容量與發(fā)射天線數(shù)和總的接收天線數(shù)的最小值成正比,相對單用戶系統(tǒng)而言實現(xiàn)了多用戶復用增益。

但DPC實際應用中還存在2個主要問題:①DPC實現(xiàn)非常復雜;②發(fā)射機很難獲取完整的信道狀態(tài)信息。一些次優(yōu)的設計方案包括信道求逆、調整求逆、TH預編碼和向量擾動預編碼,這4種技術分別與MIMO檢測中的迫零、最小均方誤差、迫零一串行干擾對消和最大似然等經(jīng)典技術互為對偶關系。與此相關的文獻已有許多,這里不再贅述。但是,如果欲取得與DPC相當?shù)亩嘤脩魪陀迷鲆?這些預處理技術一般仍要求發(fā)射機能完全獲取信道狀態(tài)信息。

2.3 部分信息預編碼技術

基于部分信息的預編碼研究最近才興起。由于反饋全部的預編碼信息會使反饋數(shù)量過于龐大,有時使系統(tǒng)難以承擔且無法實現(xiàn),因此接收端只反饋部分信息給發(fā)送方,叫做部分信息預編碼技術[6]。部分信息預編碼分兩大類:基于信道統(tǒng)計模型的預編碼和有限速率(碼本設計)反饋的預編碼。基于信道統(tǒng)計模型是一種非常普遍的模型,其反饋分基于均值的反饋和基于統(tǒng)計值的反饋2種。當天線分離得很開,信道緩慢變化,并且接收端能準確的估計信道時可以采用均值反饋,此時信道的方差正比于一個單位矩陣。

有限速率反饋模型是另一種非常普遍的模型,接收端僅反饋有限的比特給發(fā)送端。當收發(fā)天線數(shù)量較多時,反饋預編碼矩陣的所有信息則會顯得更不切實際,常用的解決方法是接收端只反饋有限的信息給接收端,如圖2所示。

圖2 有限速率反饋的MIMO系統(tǒng)

具體過程如下:當通信發(fā)生時,接收機首先根據(jù)當前的瞬時信道信息,計算某優(yōu)化標準下的最優(yōu)預編碼矩陣;然后在收發(fā)雙方都具有的碼本集中,選擇與最優(yōu)預編碼矩陣最“接近”的碼本,將此碼本的序號反饋給發(fā)送方;最后發(fā)送方再根據(jù)此序號,在碼本集中選擇對應的碼本,進行發(fā)送端的預處理,完成一次通信。其中,碼本設計需要解決2個問題:①如何量化信道空間,即設計碼本集的問題;②接收方如何根據(jù)“接近”原則。二者本質上相輔相成:設計了碼本集,接收端才能根據(jù)“接近”原則,選擇當前需要反饋的碼本;反之,正是有了“接近”原則,才能設計出最優(yōu)的碼本集。本質上,碼本設計是矢量量化問題,從矢量量化角度解決上述問題,關鍵是要設計出合適的量化標準。與基于完全信息的預編碼設計一樣,基于部分信息的預編碼設計的量化標準主要分容量標準和BER標準兩大類。

3 結束語

縱觀MIMO技術的發(fā)展,雖然多用戶MIMO系統(tǒng)的研究晚于單用戶MIMO系統(tǒng),但鑒于實際無線通信系統(tǒng)中各用戶共享同一系統(tǒng)帶寬,因此多用戶MIMO系統(tǒng)得到了廣泛的關注,尤其是下行鏈路的各種傳輸技術更被認為是解決無線通信傳輸瓶頸的有效途徑。在這一研究背景下,依據(jù)發(fā)射和接收信號處理的特點,深入分析和總結了多用戶MIMO系統(tǒng)的各種下行傳輸技術,即線性預處理技術和非線性處理技術的優(yōu)缺點,分析比較得出基于部分信道信息的信息量化、有限速率反饋等將是未來多用戶MIMO系統(tǒng)下行傳輸技術的主要研究方向。

[1]SPENCER Q,PEEL C,SWINDLEHURSTA,et al.An Introduction to the Multi-user MIMO Downlink[C].IEEE Communications Magazine,2004:60-67.

[2]VISWANATH P,TSE D.Sum Capacity of the Vector Gaussian Broadcast Channel and Uplink-downlink Duality[C].IEEE Transactions on Information Theory,2003:1912-1921.

[3]CAIRE G,SHAMAI S.On the Achievable Throughput of a MultiantennaGaussian BroadcastChannel[C].IEEE Transactions on Information Theory,2003:1691-1706.

[4]SPENCER Q H,SWINDLEHURST A L,HAARDT M.Zeroforcing Methods for Downlink Spatial Multiplexing in Multiuser MIMO Channels[C].IEEE Transactions on Signal Processing,2004:461-471.

[5]COSTA M H M.Writing onDirty paper[C].IEEETransactions on Information Theory,1983:439-441.

[6]NARULA A,LOPEZ M,TROTT M,et al.Efficient Use of Side Information in Multiple-antenna Data Transmission over Fading Channels[C].IEEE Journal on Selected Areas in Communications,1998:1423-1436.