基于環境感知的MIMO模式切換研究

丁伊晨

0 引言

隨著無線新業務的發展，用戶對數據速率和可靠性的要求均顯著上升。多輸入多輸出(MIMO)系統[1-5]可以充分利用空間資源成倍提高系統容量、頻譜效率和傳輸可靠性，恰好順應這一發展趨勢。在MIMO系統中，提高傳輸可靠性的主要手段是分集，分集增益越大，傳輸質量越好，但分集可能會導致傳輸速率的損失；而傳信率的提升主要通過空間復用，系統的自由度越多，數據速率和頻譜效率的越高，但復用模式不適于低信噪比環境。實際上，沒有一種發送模式能使分集和復用增益同時達到最大化。任何一種發送模式都是分集和復用增益的折衷。對于時變的MIMO信道，要滿足頻譜效率、吞吐量、誤碼率等服務質量(QoS，Quality of Service)需求，發送模式的選擇和切換是一個重要的研究課題。

長期演進(LTE, Long Term Evolution)標準中定義了7種MIMO發送模式：單天線、發射分集、開環空間復用、閉環空間復用、多用戶MIMO、閉環 RANK=1預編碼、通用波束賦型。總的來說分為3大類，即分集、空間復用和波束賦型。采用MIMO技術的基站或終端能工作于多種模式，并在這些模式間進行動態切換。由于信道狀態的時變性，用戶的移動性及需求的異構性，基站或終端需要根據無線信道衰落狀態的變化情況，快速準確地切換到最合適的工作模式，在滿足傳輸可靠性的同時，增加吞吐量，提高頻譜和能量效率。

然而，LTE標準中沒有規定工作模式的應用場景與切換方式。要實現各種模式切換，傳統的方法需要基站與終端大量的控制信息交互，造成較大通信開銷，且控制信息的準確性也會影響模式切換的效果。因此，有必要探討基于環境感知的MIMO模式切換關鍵技術，通過對復雜多變的無線環境進行實時準確的預測，估計信道狀態信息，進而完成模式間切換。

1 MIMO系統工作模式

(1) 空間復用模式

空間復用是在接收端和發射端使用多副天線，充分利用空間傳播中的多徑分量，在同一頻帶上使用多個數據通道(MIMO子信道)發射信號，從而使容量隨天線數的增加而線性增加。這種信道容量的增加不需要占用額外的帶寬，也不需要消耗額外的發射功率，因此是提高信道和系統容量一種非常有效的手段。開環空間復用模式是指發射端傳輸數據時沒有利用任何信道狀態信息(CSI, Channel State Information)。閉環空間復用模式則是指發射端利用了部分或全部信道狀態信息(CSI)。

(2) 分集模式

分集技術通過利用無線傳播環境中獨立或高度不相關的多徑信號來實現。MIMO系統中主要采用的是天線分集。

(3) 波束賦型模式

MIMO系統中波束賦型 (beam-forming) 技術可以看作是對發射信號做預編碼 (pre-coding)，控制信號衰落的模式，使信號能在接收端得到最大值。 MIMO中波束賦型的主要目的是為了使慢變信道具有豐富的散射環境，使各個信道之間盡量相互獨立，從而更好的利用多用戶分集增益，以提高鏈路傳輸的可靠性。

2 發送分集與空間復用間切換

基于環境感知的分集與復用間切換主要通過感知—反饋—計算—判決的方式完成。考慮一個具有Nt副發送天線，Nr副接收天線的 MIMO系統。發送端由一個分集和復用的切換模塊構成，接收端有相對應的分集和復用接收模塊。假設MIMO信道是慢變的，接收端可通過信道估計獲得信道狀態信息(CSI)，進而按一定的性能準則（如最大吞吐量或最小誤碼率）判定最優傳輸模式，并將此信息反饋給發送端。發送端根據收到的反饋信息選取相應的模式進行傳送。

MIMO系統中每一種傳輸模式的性能取決于信道矩陣H。空間復用系統的性能由H的最小奇異值決定，而天線分集系統的性能由H的弗羅貝尼烏斯(Frobenius)范數決定。對于不同的信道條件，分集和復用系統的性能不同。考慮優化系統的誤符號率，對于給定的信道矩陣H，需選擇合適的發送模式使接收碼本的最小歐式距離最大化，從而最小化系統的誤符號率。對于每一個信道實現H，可以計算不同發送模式下的最小距離。空間復用模式的最小歐式距離為：

式中λ為矩陣的特征值。空間分集模式的最小歐式距離滿足[7]：

3 空間復用與波束賦型間切換

MIMO系統中基于環境感知的空間復用(SM, Spatial Multiplexing)與波束賦型(BF, Beam-Forming)間切換可利用半馬爾可夫(Semi-Markov)模型[8]，通過跟蹤信道狀態的變化，預測最優的切換時刻，實現MIMO系統中空間復用與波束賦型間的自適應切換。

半馬爾可夫(Semi-Markov)預測模型的建模，由于信道狀態實時變化，可以根據信道狀態的統計信息設定一個接受信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)門限γth，并依據該門限對MIMO系統傳輸模式進行確定，即：

進一步，可以建立半馬爾可夫預測模型的狀態轉移圖，如圖1所示。

圖1 SM-BF模式狀態轉移

其中Pij表示從狀態i到j的轉移概率,狀態之間的轉移關系可用經典的二狀態馬氏鏈描述，轉移矩陣如下：

由此可以預測出系統工作模式的切換時刻，并對預測結果進行統計分析，建立切換時刻分布表，為MIMO系統的模式切換提供可靠的依據。

4 開環與閉環空間復用間切換

空間復用模式分為開環模式和閉環模式兩種。開環模式中發端不需要任何信道狀態信息(CSI)，具有處理復雜度低、設計與控制簡單等優點，但在較為惡劣的衰落環境中，開環模式的吞吐量和傳輸穩定性等QoS指標均不理想。閉環模式中發端需要利用 CSI將天線陣列技術與信號處理算法相結合，獲得復用增益，進而提高系統容量，減少用戶間干擾。但閉環模式一般都需要反饋信息，運算量大，實現流程也較復雜。開環和閉環模式具有各自的優勢和不足，可以基于感知到的無線環境信息，利用部分可觀測的馬爾可夫決策過程(POMDP, Partially Observable Markov Decision Processes)[9]建模，設計一套開環與閉環復用間的智能切換機制。

在空間復用的MIMO系統中，假設用戶終端(UE)和基站(Node B)之間有N個空分子信道，可將信道狀態量劃分為G個等級，記作。這N個子信道所處的狀態集為。在T個時隙內考慮開環模式與閉環模式的切換問題，假設T足夠大，以至于可以近似認為T→∞。設在第個時隙內的動作為其中表示使用開環模式，a表示使用閉環模式。定義狀態轉移函數為：

其中：

其中：

其中，β為時間折扣因子，問題的決策流程如圖2所示。

圖2 決策流程

5 結語

介紹了MIMO系統中基于環境感知的模式切換技術，討論了分集與空間復用、波束賦型與空間復用、開環空間復用與閉環空間復用 3種模式間的自適應切換機制，旨在保證MIMO系統的鏈路傳輸可靠性，進一步提升系統容量增益，減少系統開銷，并改善用戶的QoS。MIMO模式的自適應切換技術現在已成為無線通信領域的研究熱點，下一步的研究應將自適應模式切換與自適應調制和編碼相結合，建立相應的多狀態數學模型，并進行理論分析和研究。

[1]TELATAR E. Capacity of Multi-antenna Gaussian Channels[J].AT&T-Bell Labs Internal Memo.,1999,10(06):585–595.

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[7]周吉超.基于 Markov 模型的 MIMO 自適應傳輸技術研究[D]. 上海:上海交通大學, 2009.

[8]PUTERMAN M. Markov Decision Processes: Discrete Stochastic Dynamic Programming[M].USA: John Wiley, 1994.

[9]SONDIK E. The Optimal Control of Partially Observable Markov Decision Processes[D].USA: Stanford University, 1971.