無線通信系統(tǒng)中的閉環(huán)MIMO技術(shù)綜述

　　摘要

　　多入多出(MIMO)技術(shù)被認(rèn)為是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文主要討論能夠進(jìn)一步提升多天線系統(tǒng)容量的閉環(huán)MIMO技術(shù)，即帶有反饋的MIMO系統(tǒng)。反饋的信道信息既可以提高單鏈路的傳輸性能，也可以優(yōu)化多用戶之間的調(diào)度問題。我們給出了幾種在未來無線通信系統(tǒng)中可能采用的閉環(huán)MIMO方案，包括基于SVD分解和基于碼本的預(yù)編碼技術(shù)，分析并比較了它們的性能。仿真結(jié)果表明，閉環(huán)MIMO技術(shù)將有效地提高通信系統(tǒng)的性能。

　　1 引言

　　采用多個(gè)發(fā)射和接收天線的多入多出(MIMO)技術(shù)是下一代無線通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，它能有效利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來提高傳輸速率。3G-LTE和WiMAX系統(tǒng)都采用了MIMO技術(shù)來提高其性能，IEEE802.16e和WCDMA的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MIMO系統(tǒng)的功能。

　　MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型：最大化傳輸速率的空間復(fù)用方案(Spatial Multiplexing，SM)和最大化分集增益的空時(shí)編碼方案(Space-Time Coding，STC)?？臻g復(fù)用主要通過在不同天線發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，如BLAST算法。空時(shí)編碼如STBC和STTC空時(shí)算法等，可獲得分集增益，但不能提高數(shù)據(jù)速率。

　　以上兩種方案的發(fā)射端都不需要信道信息(CSI)，稱之為開環(huán)MIMO系統(tǒng)。在信道變化較慢的場合，如大城市的室內(nèi)環(huán)境和游牧式的接入服務(wù)，閉環(huán)MIMO系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。閉環(huán)MIMO系統(tǒng)是接收端將信道信息反饋給發(fā)射端，然后對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)編碼、波束成型或者天線選擇等操作。閉環(huán)MIMO的反饋方式又可以分為全反饋和部分反饋等。全反饋是將全部信道信息反饋給發(fā)射端，由于反饋鏈路要占用系統(tǒng)開銷，在實(shí)際系統(tǒng)中，一般都采用部分反饋技術(shù)。例如反饋信道的統(tǒng)計(jì)特征值、SVD分解值、基于碼本的碼字序號(hào)等，實(shí)現(xiàn)性能和復(fù)雜度的權(quán)衡。

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多徑及多徑時(shí)延擴(kuò)展是移動(dòng)通信中存在的主要問題。多徑傳播將導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰落，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致符號(hào)間干擾，這將會(huì)嚴(yán)重地影響通信鏈路的質(zhì)量。為了克服無線信道中的衰落，OFDM技術(shù)也被引入下一代無線通信系統(tǒng)中，和MIMO技術(shù)相結(jié)合，組成下一代無線通信技術(shù)的物理層核心技術(shù)。

　　本文主要討論閉環(huán)MIMO技術(shù)，我們給出基于SVD分解的和基于碼本的典型預(yù)編碼方案，然后比較其復(fù)雜度和性能，最后給出仿真結(jié)果并討論其在下一代無線通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

　　2 系統(tǒng)模型

　　如圖1所示，具有Nt個(gè)發(fā)射天線和Nr個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)模型可表示為：

　　y=Hs+n (1)

　　其中y∈CNr×1，s∈CNt×1和n∈CNr×1分別表示接收符號(hào)、發(fā)射符號(hào)和和加性高斯噪聲序列，H∈CNr×Nt為信道矩陣。

　　圖1 MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　若發(fā)射端已知信道H的信息，可以對(duì)信道進(jìn)行預(yù)編碼(波束成形)，以獲得更好的傳輸性能。信道信息可由接收端反饋或者發(fā)送訓(xùn)練序列到發(fā)射端獲得。這就是閉環(huán)MIMO系統(tǒng)，其一般結(jié)構(gòu)如圖2所示

　　圖2 閉環(huán)MIMO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　閉環(huán)MIMO系統(tǒng)的發(fā)射端的預(yù)編碼處理是通過預(yù)編碼矩陣P和發(fā)射數(shù)據(jù)相乘來實(shí)現(xiàn)的：

　　y=HPs+n (2)

　　=(HP)-1y

　　當(dāng)發(fā)射端可以獲得準(zhǔn)確的信道信息時(shí)，最佳的傳輸方式可以通過信道矩陣的奇異值(SVD)分解來獲得m(mr=UHy=UH(HVs+n)=UH(UDVH) Vs+UHn=Ds+UHn (3)

　　r=Ds+UHn

　　=D-1r