4G移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)

金錦江 鄭茜茜

(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

4G移動(dòng)通信中的MIMO技術(shù)

金錦江 鄭茜茜

(溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

主要介紹了4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中的核心技術(shù)——多輸入多輸出（MIMO）的概念，并從單用戶MIMO和多用戶MIMO的理論與技術(shù)進(jìn)行分析及對(duì)比。最后給出了MIMO技術(shù)今后的發(fā)展方向。

MIMO；單用戶MIMO；多用戶MIMO

（一）引言

上海世博園區(qū)向媒體開放體驗(yàn)全球首個(gè)TD-LTE規(guī)模演示網(wǎng)時(shí)，4G時(shí)代已悄然臨近。而多輸入多輸出技術(shù)（Multiple-Input Multiple-Output），即 MIMO是近年來在無線通訊技術(shù)領(lǐng)域極受關(guān)注的技術(shù)，4G移動(dòng)通信系統(tǒng)就采用了MIMO技術(shù)。從以往的2G移動(dòng)通信系統(tǒng)到目前火熱的3G系統(tǒng)均沒有采用MIMO。在目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)里，一發(fā)兩收是大多數(shù)基站天線采用的結(jié)構(gòu)。而MIMO技術(shù)用多個(gè)天線構(gòu)成的天線陣列取代基站現(xiàn)有的單天線。事實(shí)上，MIMO技術(shù)能運(yùn)用于4G系統(tǒng)，也是因?yàn)樗茌^為簡單并且直接地在傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)上進(jìn)行改進(jìn)和使用。

（二）MIMO技術(shù)概述

MIMO技術(shù)，即在基站端和移動(dòng)臺(tái)同時(shí)放置多個(gè)天線，使得基站和移動(dòng)臺(tái)這兩者之間能夠形成MIMO的通信鏈路。這種技術(shù)根據(jù)發(fā)射端和接收端的天線數(shù)目，可以分為單輸入多輸出（single-input multiple-output，SIMO）、多輸入單輸出（Single- output Multiple- input，MISO）或MIMO。

SU-MIMO，即單用戶MIMO，是一種基站與單移動(dòng)臺(tái)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多天線鏈路的技術(shù)。與之相對(duì)的還有MU-MIMO，即多用戶MIMO，它是通過同一個(gè)頻域與時(shí)域同時(shí)為多個(gè)移動(dòng)臺(tái)提供與基站通信的技術(shù)。它與單用戶MIMO的。與較熟悉的自適應(yīng)天線陣列相比它不一定需要平坦開闊的無線通信環(huán)境。總的來說，多輸入多輸出技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：“ISI（碼間干擾）明顯降低；空間分集增益得到提高；無線信道容量和頻譜利用率得到提高；降低誤碼率，信道的可靠性得到提高；資料的傳輸速率也大幅提升”。

本文中，我們把默認(rèn)基站，即發(fā)射機(jī)有 X個(gè)發(fā)送天線；移動(dòng)臺(tái)，即用戶設(shè)備（UE）有Y個(gè)接收天線。用X×Y階信道矩陣H表示X中一個(gè)天線與Y中一個(gè)天線的傳輸模型。

1.單用戶MIMO技術(shù)

（1）最優(yōu)功率分配

SU-MIMO復(fù)用的最優(yōu)方案，是基于信道矩陣的SVD（奇異分解值）發(fā)射和接收波束成形使用的，它把MIMO信道分成了多個(gè)子信道，稱之為“特征信道”，這些“特征信道”相互并行且互不干擾。

“特征信道最優(yōu)功率分配的原理是‘不’等價(jià)于SNR”，它并不與SNR（信噪比）呈一定比例關(guān)系，而是選擇為較好的特征行道分配更多的功率，對(duì)較差的，對(duì)信道傳輸貢獻(xiàn)不大的特征信道注入的功率很小，甚至根本不為其分配功率。如圖1。

因此在現(xiàn)實(shí)中，信息速率不得不與獲得更多功率的特征信道的 SNR匹配，但這完全通過與流相適的調(diào)制和編碼方案（MCS）來調(diào)整并解決。

圖1 最優(yōu)功率分配注水原理

（2）單天線的波束成形

這里的單天線分為發(fā)射機(jī)單天線或接收機(jī)單天線，但MIMO信道都只能表現(xiàn)出單個(gè)特征信道，因此多個(gè)數(shù)據(jù)流的復(fù)用不可能。

在“接收波束成形”上，X=1且Y ＞1（假設(shè)單流），即一個(gè)發(fā)送天線和 Y個(gè)接收天線的模型。在這種模型中，發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè) QAM符號(hào)，接收機(jī)接收并且獲得信道估計(jì)后，可以選擇設(shè)置波束成形向量跟干擾源的信道正交，有效地抵消了干擾信號(hào)，用MRC（最大比合并）自身Y個(gè)接收天線接收的信號(hào)，從而使接收機(jī)能最大程度地接收SNR。與X、Y均為1，即發(fā)送接收天線都只有一個(gè)的模型相比，最大比合并使得接收機(jī)在接收SNR上提高Y倍，實(shí)現(xiàn)MIMO信道的陣列增益，即鏈路預(yù)算上101g（M）dB。

在“發(fā)射波束成形”上，X＞1且 Y =1，即一個(gè)接收天線和X個(gè)發(fā)送天線的模型。在這種模型中，發(fā)射機(jī)發(fā)射一個(gè)QAM符號(hào)后，再“通過到反饋鏈路為發(fā)射機(jī)提供X×1階的發(fā)射波束成形矢量”。如果將發(fā)射端的信道信息設(shè)定為最理想的值，可以通過發(fā)射MRC的方法來得到最大的SNR，在此處，可以把發(fā)射 MRC當(dāng)成匹配預(yù)濾波器來看待，它和“接收波束成形”一樣，使平均SNR提高了101（N）dB倍。

（3）發(fā)射機(jī)無信道信息的空間復(fù)用

當(dāng)X＞1和Y＞1，即X個(gè)發(fā)送天線和Y個(gè)接收天線的模型時(shí)，假設(shè)Y≥X，且發(fā)射的X個(gè)流對(duì)應(yīng)各自不同的天線。發(fā)射機(jī)在沒有有關(guān) H的信息的情況下，就不能通過反饋信道向接收機(jī)提供信道信息，因而不能靠預(yù)編碼器來設(shè)計(jì)空間復(fù)用的方案。發(fā)射機(jī)方面無法下手，只有從接收機(jī)方面考慮。而事實(shí)上，已經(jīng)有兩種恢復(fù)符號(hào)矩陣的檢測技術(shù)：線性以及非線性檢測。線性檢測技術(shù)的復(fù)雜度較低，即在接收端將多個(gè)波束形成矢量進(jìn)行疊加，疊加時(shí)考慮其各自對(duì)應(yīng)的單波束成形效果及合并時(shí)各個(gè)流間的干擾，這里通常可以使用迫零接收機(jī)（Zero-Forcing）將接收到的 X個(gè)數(shù)據(jù)流間的干擾抵消掉。非線性檢測器更為先進(jìn)，但相對(duì)的復(fù)雜度也就更高。以 MLD檢測器為例，它嘗試對(duì)接收信號(hào)的所有流，用窮盡搜索的方法來找出其中可能性最大的子集。

“復(fù)用增益相當(dāng)于對(duì)頻譜效率的倍乘因子”，是由給定方案方提供。但是要想有MIMO的復(fù)用增益，要求“不同的發(fā)射和接收天線的空域特征能完全解相關(guān)且線性獨(dú)立”，簡單的說就是要求不同的發(fā)射機(jī)通過不同的獨(dú)立數(shù)據(jù)流，向不同接收機(jī)發(fā)射。只有這樣才能讓信道矩陣 H處于良態(tài)，甚至可逆。顯而易見的，對(duì)于天線基站和用戶設(shè)備（UE），他們間獨(dú)立的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，不能超過它們中最小的天線數(shù)，即滿足min（Y，X）。舉例來說，雙天線的UE與6個(gè)天線基，它們間的SU-MIMO通信至多只能有兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，但這已經(jīng)比單數(shù)據(jù)流的傳輸速率快了一倍。

2.多用戶MIMO技術(shù)

（1）單用戶和多用戶MIMO的比較

在多用戶MIMO（MU-MIMO）中，一個(gè)小區(qū)中可能有U個(gè)用戶設(shè)備（UE）可以使用，但在同一時(shí)間使用的只有 K個(gè)，一般情況下，K≤U。若假設(shè)每個(gè)UE有J個(gè)天線，那么正在工作的天線數(shù)就是Y =KJ個(gè)。通常來說這里UE天線的數(shù)量Y是遠(yuǎn)大于小區(qū)中的基站數(shù)X的，如此在不考慮合并干擾的前提下，多用戶MIMO系統(tǒng)的通信過程中，獨(dú)立的數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)受到基站數(shù)的限制。另一方面，從單個(gè)工作狀態(tài)中的UE的角度來看，UE的天線數(shù)J通常遠(yuǎn)小于基站數(shù)X，如此到單個(gè)UE的獨(dú)立數(shù)據(jù)流個(gè)數(shù)則是受到UE的天線數(shù)量限制。舉例來說，單天線的UE最多能復(fù)用X個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，但雙天線的UE能復(fù)用2X個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。而單用戶MIMO（SU-MIMO）要想復(fù)用X個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，必須在每個(gè)UE上安裝X個(gè)天線。

不難看出，對(duì)于多用戶MIMO，即使用戶設(shè)備（UE）只有很少的天線，但仍能完美的進(jìn)行MIMO的空間復(fù)用。因此在多用戶 MIMO系統(tǒng)中更加著重基站的建設(shè)，通常基站要對(duì)從 UE發(fā)送來的信號(hào)進(jìn)行“接收波束成形”并對(duì)向UE發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行“發(fā)射波束成形”。

信道的模型不一樣也是單用戶MIMO和多用戶MIMO一個(gè)基本的區(qū)別。單用戶MIMO的“天線空域特性間的解相關(guān)需要多徑傳播或使用正交極化”，而多用戶MIMO因?yàn)閁E間隔比波長大出許多，所以對(duì)不同UE的解相關(guān)并不需要人為干預(yù)。

（2）單天線UE技術(shù)

現(xiàn)在討論MU-MIMO系統(tǒng)中的單天線UE，即小區(qū)中存在Y個(gè)單天線UE，此時(shí)的上行鏈路設(shè)計(jì)方案與SU-MIMO中X＞1、Y＞1的情況十分相似，不能采用預(yù)編碼器。這是因?yàn)橛脩艚K端不能彼此協(xié)作，同時(shí)也沒有上行鏈路，或者說發(fā)射信道，的信道信息。從單個(gè)UE的角度看，它并不知道其他UE的工作情況及傳輸信息。這是因?yàn)榛鞠騏E發(fā)射時(shí)采用了發(fā)射波束成形，為每個(gè)UE都發(fā)送了空域特性，從而將數(shù)據(jù)分別傳送到了要傳送的UE上。

（3）多天線UE技術(shù)

多天線UE技術(shù)可以由單天線UE技術(shù)推廣而來。這里有兩種方法解決多天線UE的問題。其中一種是將多出的天線當(dāng)作虛擬的UE，并且允許這個(gè)虛擬的UE與其他UE對(duì)信道進(jìn)行共享，從而能使原本的多天線UE接收或發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流。另外一種方法是在不增加UE和基站間的連路數(shù)目的要求下，對(duì)多天線UE的多個(gè)數(shù)據(jù)流進(jìn)行時(shí)空編碼，即在不同時(shí)隙內(nèi)使用同一天線發(fā)射不同信號(hào)。而在基站方面可對(duì)數(shù)據(jù)流一最大合并比合并。

（三）MIMO技術(shù)的發(fā)展

MIMO技術(shù)作為未來一代寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，通過近幾年的持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)方面，基于MIMO的無線通信理論和傳輸技術(shù)顯示出了巨大的潛力。但是在實(shí)際的系統(tǒng)中要達(dá)到 MIMO理論上的容量增加仍然有許多技術(shù)難點(diǎn)。比如如何解決MIMO系統(tǒng)的多徑效應(yīng)問題，常用方法是與OFDM技術(shù)相結(jié)合。隨著人類對(duì)高質(zhì)量的無線通信系統(tǒng)的需求不斷提高，MIMO技術(shù)在通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用將不斷促進(jìn)MIMO技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

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1008-1151(2011)05-0050-02

2011-01-26

金錦江（1989－），男，浙江上虞人，溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院在讀生；鄭茜茜（1978－），女，浙江溫州人，溫州醫(yī)學(xué)院信息與工程學(xué)院講師。