無線通信中空分復用技術的研究現狀

康瑞琪+張記瑞+蔣天宇+朱國慶

摘要：空分復用技術可以極大地提高頻譜利用率，已經成為國內外無線通信領域的研究熱點，文章討論了空分復用技術的系統構成，對比了當前空分復用系統各模塊關鍵技術的優缺點，總結了大規模MIM0技術以及廣義空間索引調制技術的優勢，分析了空分復用技術下一步發展趨勢。

關鍵詞：空分復用；索引調制；大規模MIMO

隨著移動多媒體業務的發展，人們對無線通信傳輸速率需求不斷增長與無線頻譜日益匱乏之間的矛盾愈發突出。空分復用技術通過在收發兩端采用多天線并行傳輸數據，極大地提高了頻譜利用率。近年來，在空分復用系統基礎上，空間調制技術可以在不改變收發端天線數的情況下進一步提高傳輸速率，大規模MIMO系統通過大幅增加一端或兩端天線數并將原有2D信道擴展為3D信道從而大幅提高傳輸速率。本文將在簡要介紹空分復用系統的基礎上，重點分析大規模MIMO系統和空間調制技術及其下一步發展趨勢。

1空分復用系統

空分復用系統模型如圖1所示，發送端將數據流調制后進行串并變換為N₁路并行子數據流并經過空時編碼后經N₁根發射天線并行發送信號，接收端對Ⅳ，根接收天線信號進行空時解碼、并串轉換以及解調后還原發送數據。根據上述模型，空分復用系統主要包括預編碼技術、信道估計技術、信號檢測技術3個部。

1.1預編碼技術

發送端根據信道狀態信息，對MIMO發送信號進行預編碼處理，消除信道衰落及天線間干擾等不利影響，從而提高系統容量和傳輸質量并簡化接收端檢測算法。根據處理方式的不同，可以將預編碼處理分為線性和非線性預編碼2種，根據信道狀態信息獲得方式的不同，可以將預編碼分為基于碼本的預編碼以及非碼本的預編碼。另外，在多用戶MIMO技術中，接收端為多個具有多天線或者單天線的用戶，用戶無法區分自身信號與其他用戶信號，造成共信道干擾（Co-Channel Interference，CCI），將嚴重影響各用戶通信質量和速率，而預編碼技術對發射信號預處理也可以作為消除或者降低用戶間的共信道干擾的有效途徑。

1.2信道估計技術

在空分復用系統中，接收端每副接收天線接收到的信號都是發送端發射信號經過信道干擾傳輸后的疊加。為了在接收端正確檢測出發送的數據流并在發送端進行合適的預編碼處理，必須對信道特性進行估計。因此，接收端對MIMO信道的估計是信號檢測以及預編碼的基礎，而信道估計的準確度也與系統整體性能密切相關。目前，信道估計技術可以分為基于導頻的信道估計算法、基于信道判決反饋信道估計方法和盲信道估計算法3類。

（1）基于導頻的信道估計算法也是最為常見的一種信道估計算法，其在發送端發送一組收發兩端均已知的導頻序列，利用接收端實際接收結果與導頻序列對比后估計信道特性。這種算法對信道估計準確，但額外占用傳輸資源，降低系統的有效性。

（2）基于信道判決反饋信道估計方法在利用導頻序列估計出當前信道狀態信息后，利用傳輸數據的檢測結果對信道特性進行估計。這種算法開銷小，但對傳輸過程中錯誤檢測敏感度很高。

（3）盲信道估計依靠先驗約束條件根據統計特性對信道進行估計。這種算法無需開銷，但運算復雜度高而且只適用于慢衰落信道。

1.3信號檢測技術

信號檢測技術是空分復用技術的核心，接收端必須在相互干擾的信號中正確檢測出各發射天線數據，其檢測結果將直接影響整個空間復用系統的性能，檢測算法的性能主要體現在誤碼率和運算復雜度上。目前空間信道復用的檢測算法大致可以分為：最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測算法、線性檢測算法、連續干擾消除（Successive InterferenceCancellation，SIC）檢測算法和球形檢測算法。

（1）ML檢測算法。ML檢測算法依據最大似然準則，遍歷所有可能發送信號進行判決，選出最優點作為發送信號的估計值。由于檢測過程遍歷所有可能情況，一方面使其BER性能最優，另一方面使其運算復雜度隨發射天線和調制階數呈指數增長，為O（S^M）。

（2）線性檢測算法。線性檢測算法通過在接收端添加一個線性濾波器對接收到的混疊信號進行分離檢測。由于線性處理過程中，各天線信號存在干擾，使得BER出能較差，但線性處理只進行了矩陣的求逆與乘法，運算復雜度低，為O（M³）。

（3）SIC檢測算法。SIC檢測算法逐層檢測各發射天線信號，在下一根天線信號檢測前，去除己檢測天線信號對總接收信號的干擾，從而整體上降低各天線間干擾的影響。因此SIC檢測算法BER性能優于線性檢測算法，但其每次計算都需要進行排序，使得運算復雜度略高于線性檢測算法，為D（M³）～D（M⁴）。

（4）SD檢測算法。SD檢測算法檢測以接收向量為中心規定半徑的球形內格點，并不斷減小搜索半徑從而獲得最小半徑的估計值。由于檢測結果與ML檢測結果基本一致，其BER性能十分接近ML算法，而且檢測過程避免了繁瑣的遍歷性搜索，運算復雜度較ML算法低但比SIC檢測算法高。另外，隨著SNR增加，各格點平均距離降低，檢索次數變大，使得SD檢測算法運算復雜度隨著SNR增加而增加。

在上述空分復用系統基礎上，空分復用系統還出現了多用戶MIMO技術、大規模MIMO技術、空間索引調制技術等關鍵技術，從而進一步提高系統傳輸速率。

2大規模MIMO技術

大規模MIMO技術采用大規模天線陣（數百根發送天線）同時同頻服務不同用戶的技術，從而將發射信號能量集中在更小區域以獲得更高的性能。與傳統的空分復用系統相比，大規模MIMO系統的構成及基本原理類似，但其將傳統的多天線發射及對應的2D信道模型擴展為天線陣列及3D信道模型。與傳統的波束形成相比，其大幅增加發送天線的同時，將各天線幅度與相位的加權簡化為單純的相位加權。結合波束形成、空分復用、天線陣等技術，大規模MIMO技術可以獲得大幅提升信道容量及能量傳輸效率、價格低廉等優勢：

（1）極大地提升信道容量及能量傳輸效率。大規模天線陣將原有波束形成中只能水平選擇發射角度的2D信道擴展為水平垂直的3D信道，使得發送功率集中在更小的目的區域，從而提升目的區域的接收信號能量并降低對其他區域用戶的干擾。

（2）價格低廉。大規模MIMO系統以數百根廉價的低功率天線代替原有天線，總發射功率相同的情況下，避免了傳統的天線系統中昂貴的非線性高功率放大器以及相應的同軸電纜等昂貴且笨重的物品。

（3）降低空中接口的延遲。傳統空分復用系統需要依靠較強的多徑環境并對多徑進行處理，這將導致數據傳輸過程中與多徑時延相關的延遲。大規模MIMO技術中的波束形成，不要求多徑環境以及對多徑延遲的處理，從而不受多徑延遲的限制。

（4）簡化多址接入。大規模MIMO技術中每個用戶均利用整個帶寬，無需帶寬調度，從而簡化了大多數的物理層控制信號冗余，進而降低系統開銷，提高資源利用率。

（5）降低空中干擾并提高安全性。大規模MIMO技術中發射天線提供了很多多余的自由度，可以用來取消故意干擾器的信號。由于發送信號目的區域更小并且其他區域接收功率更低，降低了其他區域竊聽信號的風險。

但是，大規模MIMO技術也存在諸多問題，其中導頻污染問題尤為突出。導頻污染是指小區內或相鄰小區共用導頻序列而導致的鏈路干擾問題現象。一般情況下，為避免干擾各用戶需分配一個正交上行導頻序列，但是導頻序列的數量受限于相干時間與信道延遲擴展，當用戶數量過大，就會發生相鄰小區甚至小區內用戶共用一個導頻序列的情況，從而影響信道估計的下行波束形成，進一步影響系統性能。文獻指出，相比于經典的MIMO系統，導頻污染對大規模MIMO系統影響更大，而隨著收發天線數增長，導頻污染成為限制系統性能上限的主要因素。

3廣義空間索引調制

廣義空間索引調制將索引調制應用于多天線系統，從而進一步提高空分復用系統傳輸速率。與傳統所有天線均發送調制信號不同，廣義空間索引調制中待發送數據分為2個部分，一部分用以調制所有天線中實際發送調制信號的天線個數與序號，另一部分再對實際工作天線發送的信號進行調制。空間索引調制技術的核心可以從3個方面概括：

（1）快速的本地計算可映射海量的外存空間信息數據。通過索引調制的引入，映射域從原有的單純依靠天線數的線性疊加變為索引域對多進制調制域維數的擴展，使得映射域呈指數的擴展，對應外存空間信息數據更為龐大。

（2）對復雜的空間目標對象進行逐步分割，使得查詢路徑不需要遍歷整個信息。索引調制對多進制調制域進行索引域的多維擴展后形成新的多進制索引空間，其編碼基本原理就是將空間分割為若干查詢區域，每個區域存儲多個索引項。解碼過程分為確定查詢區域和區域內索引項2步，即可快速獲得編碼數據，無需遍歷整個索引空間。

（3）采用合適的空間分割方法。為降低不同查詢區域間的相關性，提升同一查詢區域的相關性，需要采用合適的空間分割方法，從而在提升解碼BER性能的同時，使得索引、查詢更加快捷高效。

廣義空間索引調制只是從空域進行了索引調制，而一般的多天線系統中，通常會采用OFDM調制用以克服頻率選擇性衰落，這使得將索引調制引入頻域成為可能。GSFIM（Generalized Space and Frequency Index Modulation，廣義的空頻索引調制）就是從空間、頻率域分別進行索引調制，從而將待發信息映射為空間索引、頻率索引以及傳統的多進制調制3個部分，對應MIMO-OFDM系統可以實現相比于傳統空分復用更高的傳輸速率。

4結語

本文在總結近年來國內外對空分復用技術最新成果后，重點分析了大規模MIMO技術以及廣義空間索引調制2種新型技術的特點與優勢。空分復用技術因其具有快速提高傳輸速率的優勢一直是國內外研究的焦點，并己取得很多成果。目前，以下幾個方面有待進一步研究：

（1）將索引調制擴展至空間、時間、頻率域。目前，廣義空頻索引調制只是從空域和頻域2個方面進行了索引調制，而時隙的存在使得時域內的索引調制可以輕易實現，但是將索引調制用于時域還需注意2個問題：一是與空域和頻域的有限性不同，時隙可以無限擴展。時域的索引需要在一個合適數量的時隙數進行，如何確定時隙數將成為以后研究的重點。二是索引調制中容易出現傳輸信號連續為零的現象，這將給同步精度帶來突出影響，此時可以借鑒編碼中的HDB3編碼進行，但仍需進一步研究。

（2）提升多天線系統的抗相關衰落特性。多天線系統中要求各天線間衰落相互獨立，但在實際的通信中，由于所在環境散射不夠、移動端天線距離過近等原因，使得各天線間衰落存在相關性，這將嚴重影響系統的信道容量和傳輸質量。目前，現有的抗相關衰落特性的方式主要采用預編碼等信號處理技術或設計不同的天線陣，但并未完全消除相關衰落對系統性能的影響。

（3）GSIM中分集增益與復用增益的優化折中。現有對于分集與復用折中的研究只在傳統的多進制調制下的MIMO系統中進行，但GSIM采用索引調制和多進制調制相結合的方式進行，對應分級增益與復用增益的折中更為復雜，需要進一步的研究。