LTE系統(tǒng)中多用戶MIMO技術(shù)的應(yīng)用

1、LTE系統(tǒng)中多用戶MIMO技術(shù)的應(yīng)用一、引言移動(dòng)通信技術(shù)從二十世紀(jì)九十年代開始經(jīng)歷了快速發(fā)展時(shí)期。通 信成為人們生活的重要組成部分，不斷增長(zhǎng)的移動(dòng)通信用戶對(duì)通信技 術(shù)的發(fā)展提出了更高的要求。從第一代的模擬通信系統(tǒng)到目前正在商 用的第二代、第三代的數(shù)字通信系統(tǒng)，每一代都在技術(shù)和實(shí)用上有了 更高的飛躍。目前，移動(dòng)通信正朝著寬帶化、移動(dòng)化的方向發(fā)展。面對(duì)高速發(fā)展的移動(dòng)通信市場(chǎng)的巨大誘惑和大量低成本高帶寬 無線技術(shù)的快速普及，眾多非傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營商也紛紛加入了移動(dòng)通信 市場(chǎng)，并引進(jìn)了新的商業(yè)運(yùn)營模式，諸如“ SKYPE”這種語音和視 頻通信業(yè)務(wù)，可以借助免費(fèi)或者低價(jià)無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，向廣大消費(fèi) 者提供近

2、乎免費(fèi)的服務(wù)。這些新興力量給傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營商帶來了前所 未有的挑戰(zhàn)，加快現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，滿足用戶需求，提供新型業(yè)務(wù)成為 在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中處于不敗之地的唯一選擇。與此同時(shí)，用戶期望運(yùn)營商提供任何時(shí)間任何地點(diǎn)不低于1Mbps 的無線接入速度，小于20ms的低系統(tǒng)傳輸延遲，在高移動(dòng)速率環(huán)境 下的全網(wǎng)無縫覆蓋。而最重要的一點(diǎn)是能被廣大用戶負(fù)擔(dān)得起的廉價(jià) 終端設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這些要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的能力，尋找 突破性的空中接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)勢(shì)在必行。與 Wi-Fi(WirelessFidelity，無線保真)和 WiMAX(Worldwide Interoperability forMicrowave

3、Access，全球微波互聯(lián)接入）等無線接入方案相比， WCDMA / HSDPA（Wideband Code Division Multiple Access，寬帶碼 分多址接入/ High Speed Downlink Packet Access,高速下行分組接入） 空中接口和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，雖然在支持移動(dòng)性和QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）方面有較大優(yōu)勢(shì)，但在每比特成本、無線頻譜利 用率和傳輸時(shí)延等能力方面明顯落后。根據(jù)3GPP（3m GenerationPartnership Project，三代合作伙伴計(jì)劃）標(biāo)準(zhǔn)組織原先的時(shí)間表，4G 最早要在2015年才能正

4、式商用，在這期間傳統(tǒng)電信設(shè)備商和運(yùn)營商 將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。用戶的需求、市場(chǎng)的挑戰(zhàn)和IPR的制肘共同 推動(dòng)了 3GPP組織在4G出現(xiàn)之前加速制定新的空中接口和無線接入 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。2004年11月，3GPP加拿大多倫多“UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network，通用陸地?zé)o線接入網(wǎng)絡(luò)）演進(jìn)會(huì)議 收集了無線接入網(wǎng)R6版本之后的演進(jìn)意見，在隨后的全體會(huì)議上， “UTRA和UTRAN演進(jìn)”研究項(xiàng)目得到了二十六個(gè)組織的支持，并 最終獲得通過。這也表明了 3GPP組織運(yùn)營商和設(shè)備商成員共同研究 3G技術(shù)演進(jìn)版本的強(qiáng)烈愿望。二、LTE系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)L

5、TE(Long Term Evolution)系 統(tǒng)是 3G(3rd-Generation)的演進(jìn)，它改 進(jìn)并增強(qiáng)了 3G的空中接入技術(shù)，能夠帶來速率更高、技術(shù)更簡(jiǎn)單的 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶體驗(yàn)。LTE具有頻譜使用靈活、可與現(xiàn)有技術(shù)無縫互 操作，以及網(wǎng)絡(luò)部署和管理成本低廉等優(yōu)勢(shì)，目前已成為全球主流運(yùn) 營商的共同選擇。其主要性能目標(biāo)有：在20MHz頻譜帶寬能夠提供 下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；改善小區(qū)邊緣用戶的性能; 提高小區(qū)容量；降低系統(tǒng)延遲，用戶平面內(nèi)部單向傳輸時(shí)延低于5ms， 控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50ms，從駐留狀態(tài)到 激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100ms；支

6、持100Km半徑的小區(qū)覆蓋；能 夠?yàn)?50Km/h高速移動(dòng)用戶提供100kbps的接入服務(wù)；支持成對(duì)或 非成對(duì)頻譜，并可靈活配置1.25 MHz到20MHz多種帶寬。LTE 采用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正 交頻分復(fù)用)和 MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出) 作為兩項(xiàng)最主要的關(guān)鍵技術(shù)。其中，OFDM技術(shù)能夠抵抗由無線信道 多徑時(shí)延擴(kuò)展產(chǎn)生的符號(hào)間干擾，同時(shí)可以使信道均衡從復(fù)雜的時(shí)域 處理轉(zhuǎn)換到簡(jiǎn)單的頻域處理。MIMO技術(shù)主要的作用有分集和復(fù)用。 分集是指通過時(shí)域、頻域、空

7、域提供數(shù)據(jù)信號(hào)的某種副本。接收端利 用接收到的信號(hào)及其副本進(jìn)行解碼，可以提高通信的可靠性。復(fù)用是 指在不增加發(fā)射功率和帶寬的前提下，將多路信號(hào)同時(shí)從多個(gè)發(fā)射天線發(fā)射，這樣可以成倍的提高頻譜利用率。2.1、LTE系統(tǒng)性能及其特征LTE是3GPP對(duì)現(xiàn)有3G通信技術(shù)的演進(jìn)，作為3G技術(shù)和4G技 術(shù)的一個(gè)過渡協(xié)議，3GPP在TR25. 913協(xié)議中給出了對(duì)LTE系統(tǒng)性 能、技術(shù)特征等需求和性能指標(biāo)。具體內(nèi)容包括：峰值數(shù)據(jù)速率：系統(tǒng)帶寬20MHz下，支持下行最高峰值速率 100Mbps、上行最高峰值速率50Mbps；頻譜效率下行最高達(dá)到5bps /Hz、上行最高達(dá)到2. 5bps / Hz；提高小區(qū)邊緣

8、傳輸速率?？刂泼妫簭鸟v留狀態(tài)到激活狀態(tài)包括下行尋呼和NAS(Non Access Stratum)信號(hào)延遲時(shí)延低于100ms，從休眠狀態(tài)到激活狀態(tài)時(shí)延低于 50ms；系統(tǒng)支持每個(gè)小區(qū)接入大量激活狀態(tài)用戶，在5MHz帶寬下， 小區(qū)支持至少200個(gè)用戶同時(shí)處于激活狀態(tài)；在提供更高系統(tǒng)帶寬條 件下，小區(qū)支持至少400個(gè)用戶同時(shí)處于激活狀態(tài)；并且支持大量用 戶處于駐留和休眠狀態(tài)。用戶面：零負(fù)載、小IP包如單用戶、單數(shù)據(jù)流條件下，時(shí)延低于 5ms o用戶吞吐量:下行用戶平均吞吐量達(dá)到R6版本HSDPA(High Speed Down link Packet Access)的3倍到4倍，上行用戶平均吞吐量

9、達(dá)到R6 版本HSDPA的2倍到3倍；且上、下行每 MHz吞吐量在5% C. D. F(Cumulative Distribution Function)，為 R6 版本 HSDPA 的 2 倍到3倍。頻譜利用率：頻譜利用率大大提高，下行達(dá)到R6版本HSDPA的3倍到4倍，上行達(dá)到R6版本HSDPA的2倍到3倍。移動(dòng)性：015km / h低速提供性能優(yōu)化，15km / h120km / h中速移動(dòng)支持高性能，120km / h350km / h高速保證蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性， 且某些頻段支持500km / h。覆蓋：小區(qū)半徑5km以內(nèi)，應(yīng)該滿足前面定義的性能；小區(qū)半徑 30km以內(nèi)，將允許在前面定義的

10、性能基礎(chǔ)上分別有適當(dāng)?shù)慕档停徊?排除小區(qū)半徑達(dá)到100km。增強(qiáng)型 MBMS(Multimedia Broadcast Multicast Service)：為降低終 端設(shè)備復(fù)雜度，應(yīng)和單波操作采用相同的調(diào)制、編碼和多址接入方法； 同時(shí)支持語音和MBMS服務(wù)；同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和MBMS服務(wù)；支持頻 譜非對(duì)稱使用的非對(duì)稱MBMS操作。頻譜配置靈活性：支持多種系統(tǒng)頻譜配置，如支持1. 25MHz，1. 6MHz，2. 5MHz，5MHz，10MHz，l5MHz，20MHz 多種頻譜配 置，支持下行模式和上行.下行模式的廣播傳輸，支持對(duì)稱和非對(duì)稱 頻譜配黃；支持靈活的頻譜集合配置。頻譜部署：相同地域或臨

11、近信道 GERAN(GSM EDGE Radio Access Network) / 3G共存，相同地域和臨近信道頻譜操作共存，邊 界頻譜重疊共存，E. UTRA(Evo1ved. Universal Telecommunication Radio Access)可獨(dú)立管理，頻段能按照獨(dú)立頻段原則釋放。與 3GPP 中 RAT(radio access technology)共存 與 互操作：E. UTRAN (Evolved. Universal Terrestrial Radio Access)終端支持UTRAN和GERAN測(cè)量操作；E. UTRAN和UTRAN實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換 時(shí)延低于300

12、ms,非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換中斷時(shí)延低于500ms； E. UTRAN 和GERAN實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換時(shí)延低于300ms,非實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)切換中斷時(shí)延 低于500ms o系統(tǒng)架構(gòu)：支持單一 E.UTRAN體系結(jié)構(gòu)；支持基于分組的實(shí)時(shí) 業(yè)務(wù)和會(huì)話;最大限度避免單點(diǎn)失敗;支持RNL(Radio Network Layer) 和TNL(Transport Network Layer)交互；支持端到端的QoS,支持多因 素綜合計(jì)量QoS ；降低延遲。無線資源管理：支持增強(qiáng)型端到端的QoS；支持高效上層傳輸； 支持負(fù)載均衡和策略管理的多種無線接入技術(shù)。復(fù)雜度要求：降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低UE(User Equipment

13、) 終端設(shè)備復(fù)雜度。總體要求：優(yōu)化回傳、簡(jiǎn)化EUTRAN體系結(jié)構(gòu)、接口兼容、 優(yōu)化降低UE復(fù)雜度、更有效和容易使用 OAM&P(Operations, Administration, Maintenance, and Provisioning)的成本控制：支持多 種多樣的業(yè)務(wù)如上網(wǎng)、FTP(File Transfer Protoc01)、VolP(Voice over Internet Protoc01)、網(wǎng)絡(luò)視頻等業(yè)務(wù)相關(guān)要求。2.2、LTE關(guān)鍵技術(shù)介紹為了達(dá)到LTE低延遲、高速率、高可靠性數(shù)據(jù)傳輸，提高系統(tǒng)容量， 增大系統(tǒng)覆蓋范圍和低成本等一系列需求，3GPP在LTE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制 定過程中采

14、納了一系列相應(yīng)的技術(shù)。這些技術(shù)包括：傳輸與多址接入技術(shù):LTE系統(tǒng)物理層下行鏈路傳輸和下行多址接 入技術(shù)采用OFDMA，而為了降低上行峰均比，物理層上行鏈路傳輸 和上行 多址接入技術(shù)采用 SC FDMA(Single Carrier-Frequency Division Multiple Access)。MIMO 技術(shù)：LTE支持下行 2X1、2X2、4X2、4X4 和上行 lX2 的 MIMOo LTE采用 SFBC(Space. Frequency Block Codes)發(fā)射分集、 BLAST(Bell Labs Layered Space. Time)空間復(fù)用、預(yù)編碼技術(shù)、 SU. M

15、IMO(Single User MIMO)、MUMIMO(Multi User MIMO)、波 束成形等MIMO技術(shù)。工作模式：LTE支持FDD、TDD和半雙工FDD模式。編碼與調(diào)制：LTE中使用重復(fù)編碼、卷積碼和Turbo碼；Turbo編 碼用在上下行共享信道，卷積碼主要用于上、下行控制信道等；支持 BPSK(Binary Phase Shift Keying)、QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation)和 64QAM 調(diào)制方 式，采用AMC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鏈路自適應(yīng)調(diào)制編碼。HARQ(Hyb

16、rid Automatic Repeat Request)技術(shù)：LTE 使用基于前向糾錯(cuò)(Forward Error Correction，F(xiàn)EC)和 自動(dòng)請(qǐng)求重傳(Automatic Repeat Request，ARQ)相結(jié)合得差錯(cuò)控制方法，來降低系統(tǒng)誤碼率、 提高系統(tǒng)吞吐量以確?？煽繑?shù)據(jù)傳輸，這就是HARQ技術(shù)。LTE采 用兩層重傳機(jī)制即RLC(Radio Link Contr01)層的 ARQ技術(shù)和MAC(Medium Access Contr01)層的HARQ技術(shù)，來達(dá)到更高的性能。隨機(jī)接入技術(shù)：LTE支持非同步隨機(jī)接入和同步隨機(jī)接入兩種，采 用基于資源預(yù)留的Slotted ALOH

17、A協(xié)議，主要目的是上行定時(shí)同步校 正、用戶功率調(diào)整和用戶資源請(qǐng)求申請(qǐng)等。功率控制技術(shù)：由于LTE系統(tǒng)下行鏈路使用OFDMA(上行鏈路 SC. FDMA)技術(shù)，下行鏈路功率控制對(duì)系統(tǒng)性能影響不是很大，因 此下行做半靜態(tài)功率控制；上行鏈路干擾呈現(xiàn)頻率選擇性，因而采用 慢功控。小區(qū)搜索技術(shù)：LTE規(guī)定小區(qū)搜索在系統(tǒng)帶寬中心頻域1. 25MHz 頻帶內(nèi)進(jìn)行。小區(qū)干擾抑制：LTE干擾抑制技術(shù)主要有發(fā)射信號(hào)加擾技術(shù)、小區(qū) 干擾隨機(jī)化技術(shù)、小區(qū)干擾抵消技術(shù)和小區(qū)干擾協(xié)調(diào)技術(shù)。MBMS技術(shù)：LTE中支持MBMS以支持更高速率多媒體業(yè)務(wù)。三、MIMO移動(dòng)通信技術(shù)MIMO技術(shù)通過多天線來提供空間分集和復(fù)用，能夠獲

18、得比傳統(tǒng) SISO（Single Input Single Output）系統(tǒng)更高的信道容量、傳輸可靠性和 頻譜效率。日前，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的MIMO傳輸技術(shù)已經(jīng)非常成熟，而在實(shí) 際應(yīng)用中，系統(tǒng)往往需要一個(gè)基站（BS）同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)（MS） 進(jìn)行通信，比如最常見的蜂窩系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)（WLAN）等。因此， 有關(guān)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多用戶MIMO （Multi-user MIMO）系統(tǒng)（如圖1所 示）的研究也就應(yīng)運(yùn)而生，它比單用戶MIMO更加復(fù)雜。圖1多用戶MIMO示意圖1、MIMO系統(tǒng)原理MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線， 使信號(hào)通過發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)

19、量。它能充分利用空間資源，通過多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不增加 頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的提高系統(tǒng)信道容量， 顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，被視為下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個(gè)天線和多個(gè)通道，如圖3.1所示。圖3.1 MIMO系統(tǒng)原理(3.1)傳輸信息流S(k)經(jīng)過空時(shí)編碼形成M個(gè)信息子流C.(k),i = 1,2,., M， 這M個(gè)子流由M個(gè)天線發(fā)送出去，經(jīng)空間信道后由N個(gè)接收天線接收， 多天線接收機(jī)能夠利用先進(jìn)的空時(shí)編碼處理技術(shù)分開并解碼這些數(shù) 據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。MIMO是在收發(fā)兩端使用多個(gè)天線，每 個(gè)收發(fā)天線之間對(duì)應(yīng)一個(gè)MIMO子信道，在收發(fā)天

20、線之間形成M XN信 道矩陣比在某一時(shí)刻t,信道矩陣為：htht .ht1,12,1M ,1htht .ht1,22,2M,2 .htht.ht1,N2, NM, NH (t)=其中H的元素是任意一對(duì)收發(fā)天線之間的增益。M個(gè)子流同時(shí)發(fā)送到信道，各發(fā)射信號(hào)占用同一個(gè)頻帶，因而并 未增加帶寬。若各發(fā)射天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng) 造多個(gè)并行空間信道。通過這些并行的信道獨(dú)立傳輸信息，必然可以 提高數(shù)據(jù)傳輸速率。對(duì)于信道矩陣參數(shù)確定的MIMO信道，假定發(fā)射 端總的發(fā)射功率為P，與發(fā)送天線的數(shù)量M無關(guān);接收端的噪聲用N X1 矩陣n表示，其元素是獨(dú)立的零均值高斯復(fù)數(shù)變量，各個(gè)接收天線的 噪

21、聲功率均為q； p為接地端平均信噪比。此時(shí)，發(fā)射信號(hào)是M維統(tǒng) 計(jì)獨(dú)立，能量相同，高斯分布的復(fù)向量。發(fā)射功率平均分配到每一個(gè) 天線上，則容量公式為：C = log2det(IN + M HHh )(3.2)固定N，令M增大，使得法hhh ，這時(shí)可以獲得到容量的近 似表達(dá)式：C = N log2(1 + p)(3.3)det代表行列式，In代表M維單位矩陣，Hh表示H的共扼轉(zhuǎn)置。 從上式可以看出，此時(shí)的信道容量隨著天線數(shù)的增加而線性增大。即可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量，在不增加帶寬 和天線發(fā)射功率的情況下，頻譜利用率可以成倍地提高，充分展現(xiàn)了 MIMO技術(shù)的巨大優(yōu)越性。2、MIMO技

22、術(shù)優(yōu)點(diǎn)利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量，同時(shí)也可以提高信道的 可靠性，降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益， 后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。3.1、發(fā)射/接收分集傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信 息的信號(hào)通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào) 多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在 慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過 n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大 的分集增益為族對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增 益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天

23、線n根接收天線的 系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可 以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天 線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提 高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術(shù)也可以 算一種天線分集技術(shù)。分集技術(shù)主要用來對(duì)抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特 性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom) o 從本質(zhì)上來講，如果每對(duì)發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可 以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信 息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被稱為空間復(fù)用

24、。需要特別指出的 是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā) 射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落 的。3.2、空間復(fù)用增益實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的BLAST算法、ZF（zero-forcing，迫零） 算法、MMSE （minimum mean square error，最小均方差）算法、ML （maximum likelihood，最大似然）算法。ML算法具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求 較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)信道 的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。根據(jù)子 數(shù)

25、據(jù)流與天線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模 式：D-BLAST、V-BLAST 以及 T-BLAST。（1）D-BLASTD-BLAST最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Gerard J. Foschini提出。原始數(shù) 據(jù)被分為若干子流，每個(gè)子流之間分別進(jìn)行編碼，但子流之間不共享 信息比特，每一個(gè)子流與一根天線相對(duì)應(yīng)，但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性 改變，如圖1.b所示，它的每一層在時(shí)間與空間上均呈對(duì)角線形狀， 稱為 D-BLAST（Diagonally- BLAST）。回回ZJ Zi E H S E 囪叵I函回 回回函色D-BLAST的好處是，使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過不同的路徑發(fā) 送到接收機(jī)端，提高了

26、鏈路的可靠性。其主要缺點(diǎn)是，由于符號(hào)在空 間與時(shí)間上呈對(duì)角線形狀，使得一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)，或者增加了 傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如圖1.b所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送開始時(shí)，有一部分空時(shí) 單元未被填入符號(hào)（對(duì)應(yīng)圖中右下角空白部分），為了保證D-BLAST 的空時(shí)結(jié)構(gòu)，在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)。如果采用 burst模式的數(shù)字通信，并且一個(gè)burst的長(zhǎng)度大于M（發(fā)送天線數(shù)目） 個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔，那么burst的長(zhǎng)度越小，這種浪費(fèi)越嚴(yán)重。它的數(shù) 據(jù)檢測(cè)需要一層一層的進(jìn)行，如圖1.b所示：先檢測(cè)c0、c 1和c2， 然后a0、al和a2，接著b0、bl和b2（2）V-BLAST另外一種簡(jiǎn)化了的BLAST結(jié)構(gòu)

27、同樣最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。它 采用一種直接的天線與層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即編碼后的第k個(gè)子流直接送 到第k根天線，不進(jìn)行數(shù)據(jù)流與天線之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的周期改變。如圖 1.c所示，它的數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上為連續(xù)的垂直列向量，稱為 V-BLAST（Vertical-BLAST。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只 是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在檢測(cè)過程中，只要知道數(shù)據(jù)來自哪根天線 即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù)，檢測(cè)過程簡(jiǎn)單。T-BLAST考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點(diǎn)，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)被提出：T-BLAST。它的層 在空間與時(shí)間上呈螺紋(Threaded

28、)狀分布，如圖2所示。原始數(shù)據(jù)流 被多路分解為若干子流之后，每個(gè)子流被對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去，并且 這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，與D-BLAST系統(tǒng)不同的是，在發(fā)送的初 始階段并不是只有一根天線進(jìn)行發(fā)送，而是所有天線均進(jìn)行發(fā)送，使 得單從一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔來看，它的空時(shí)分布很像V-BALST，只不 過在不同的時(shí)間間隔中，子數(shù)據(jù)流與天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變。更 普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不是周期性改變，而是隨機(jī)改 變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒有 空時(shí)單元的浪費(fèi)，并且可以使用V-BLAST檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。四、多用戶MIMO移動(dòng)通信技術(shù)4.1、多用戶MIMO原理

29、多用戶MIMO上行鏈路通常被稱作多址接入信道（MAC）,下行 鏈路則為廣播信道（BC）。在上行鏈路中，所有用戶工作在相同的頻 段上，向同一個(gè)基站發(fā)送信號(hào)，然后基站通過適當(dāng)?shù)姆椒▉韰^(qū)分用戶 數(shù)據(jù)，主要問題是基站如何針對(duì)不同的多址接入方式采用陣列處理、 多用戶檢測(cè)（MUD）或者其他有效方法來分離各個(gè)用戶的數(shù)據(jù)。下 行鏈路中，基站將通過處理的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換成多個(gè)數(shù)據(jù)流，每一路數(shù) 據(jù)流經(jīng)脈沖成形、調(diào)制，然后通過多根天線同時(shí)發(fā)送到無線空間，每 一個(gè)接收天線接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶的信號(hào)與干擾噪 聲的疊加，主要問題是如何消除由此帶來的多址干擾（MAI）。由于多用戶MIMO系統(tǒng)中各用戶的信道彼此獨(dú)立，

30、因此，用戶 一般能夠知道自己的信道狀態(tài)信息，卻很難獲得其他用戶的信道信 息，而獲得其他用戶信道信息需要付出很大的代價(jià)。也就是說用戶之 間很難進(jìn)行協(xié)作。與此相反，基站有條件獲得所有通信用戶的信道狀 態(tài)信息，對(duì)于時(shí)分雙工系統(tǒng)（TDD），這可由基站接收的上行鏈路的 訓(xùn)練或者導(dǎo)頻序列來獲得，對(duì)于頻分雙工（FDD）系統(tǒng)則可以通過反 饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動(dòng)臺(tái)（MS）強(qiáng)得多，因此一般都是由基站在發(fā)射信號(hào)前做信號(hào)預(yù)處理（比如波束成形），以消 除、抑制干擾或者在接收到信號(hào)之后進(jìn)行后處理來區(qū)分用戶。與單用戶MIMO不同的是，多用戶MIMO系統(tǒng)的容量是一個(gè)多 維的區(qū)域。假設(shè)總的發(fā)送功率一定，對(duì)于不同

31、用戶有可能分配不同的 功率，從而產(chǎn)生許多不同的信息速率，結(jié)果就形成了以用戶數(shù)目為維 數(shù)的信道容量區(qū)域。例如，對(duì)于K個(gè)用戶，信道容量區(qū)域則用K維 的容量來表示。42、多用戶MIMO模型由于LTE系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，每個(gè)子載波上都可視為平坦衰 落信道。故假設(shè)一個(gè)下行窄帶多用戶MIMO系統(tǒng)共有K （在LTE系統(tǒng)中， K=2）個(gè)用戶，第k個(gè)用戶的接收天線數(shù)為n久，基站端共有N,根發(fā)送 天線，如圖l所示。用戶k接收到的信號(hào)可以表示如下：y（k）= H（k睿 U（i）x（i）+ n（k）（4.1）l=1其中H（k）e CN5，為用戶k的信道矩陣，U（t）e Cnm，為用戶l的預(yù)編 碼矩陣，x（i）e C

32、n表示用戶l的包含N個(gè)符號(hào)的發(fā)送信號(hào)矢量，n（k）e CNr 為均值為0,方差q為高斯白噪聲。我們也可以將式（4.1）改寫為：（4.2）y（ k）= H（ k）Ux + n（ k）其中，U =u（1）U（Ns），且X = 。_ X （Ns） _4.3、SU-MIMO 與 MU-MIMO（1）下行SU （單用戶）-MIMO下行SU-MIMO是大幅度提高單用戶下行峰值速率以及LTE系統(tǒng) 下行頻譜效率的重要手段。LTE系統(tǒng)的下行SU-MIMO是基于預(yù)編碼 技術(shù)的MIMO方案，它由發(fā)射端的預(yù)編碼及其對(duì)應(yīng)的接收端匹配濾 波組合形成，預(yù)編碼矩陣根據(jù)時(shí)空信道特征獲取。其主要特點(diǎn)有：a日標(biāo)：增加用戶數(shù)據(jù)速率。

33、b 一個(gè)用戶同時(shí)接受不同的數(shù)據(jù)流。c當(dāng)用戶占用信道條件良好時(shí)，傳輸效率是較高的。下行2x2 SU-MIMO示意圖如圖所示下行2X2SU-MIMO示意圖很明顯，基于預(yù)編碼技術(shù)的SU-MIMO多流傳輸收發(fā)信機(jī)方案， 等效于將多個(gè)子流在空間上彼此正交的特征信道中進(jìn)行傳輸而互相 完全沒有干擾。實(shí)際應(yīng)用中，多流的發(fā)射功率可以采用注水的方式以獲得功率效 率最大化。一些奇異值比較?。ㄉ踔翞榱悖┑奶卣餍诺栏鶕?jù)注水原理 將不會(huì)獲得任何功率分配，這也是LTE協(xié)議中SU-MIMO發(fā)射“層” 數(shù)可變的重要原因。同前面提到的下行波束賦形類似，下行SU-MIMO涉及的預(yù)編碼 矩陣在FDD模式下必須由終端側(cè)根據(jù)下行空間信道

34、特性產(chǎn)生，并將 產(chǎn)生矩陣的碼本索引反饋給系統(tǒng)側(cè)。而在TDD模式下，既可以采用 與FDD相同的方法，也可以由系統(tǒng)側(cè)利用上下行信道的互易性，直 接根據(jù)上行空時(shí)信道特性生成下行預(yù)編碼矩陣。同樣的，利用TDD 上下行信道的互易性進(jìn)行下行SU-MIMO的一個(gè)前提條件是多通道 的上下行校正。下行MU （多用戶）-MIMO下行MU-MIMO也是一種空分多址（SDMA）的復(fù)用方式，系統(tǒng) 則使用相同的時(shí)頻資源塊同時(shí)向多個(gè)終端發(fā)射不同的信號(hào)。下行 MU-MIMO也是大幅提高LTE系統(tǒng)下行頻譜效率的一個(gè)重要手段， 但無法提高單用戶峰值速率。下行MU-MIMO的情況比較復(fù)雜。不同終端的接收天線數(shù)也不盡 相同，因此不同

35、接收天線數(shù)的終端對(duì)于MU-MIMO發(fā)射信號(hào)的正交 性要求也不一樣。多天線接收的終端能夠?qū)σ欢ǔ潭鹊幕旌闲盘?hào)進(jìn)行 聯(lián)合檢測(cè)，恢復(fù)自身信號(hào)；而單天線接收的終端需要依賴系統(tǒng)側(cè)發(fā)射 端對(duì)信號(hào)進(jìn)行盡可能的預(yù)正交，以降低空分多址信號(hào)的互干擾。下行MU-MIMO還可以與下行SU-MIMO結(jié)合起來應(yīng)用，以最大限 度的提高LTE系統(tǒng)的下行頻譜效率，并兼顧單用戶峰值吞吐量。（3）上行MU （多用戶）-MIMO上行MU （多用戶）-MIMO實(shí)際上是一種空分多址的復(fù)用方式， 多個(gè)終端同時(shí)使用相同的時(shí)頻資源塊進(jìn)行上行傳輸，其中每個(gè)終端都 是采用1根發(fā)射天線，系統(tǒng)側(cè)接收機(jī)對(duì)上行多用戶混合接收信號(hào)進(jìn)行 聯(lián)合檢測(cè)，最后恢復(fù)出

36、各個(gè)用戶的原始發(fā)射信號(hào)。上行 MU-MIMO 是大幅提高LTE系統(tǒng)上行頻譜效率的一個(gè)重要手段，但是無法提高 上行單用戶峰值吞吐量。其特點(diǎn)主要有：a目標(biāo)：增加扇區(qū)容量；b選擇兩兩之間信道特征相關(guān)性較弱的用戶進(jìn)行配對(duì)；c當(dāng)很多用戶同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，效率較高。事實(shí)上，不是所有的終端都能相互結(jié)合進(jìn)行MU-MIMO,只有兩 兩之間信道特征相關(guān)性較弱的終端組合才能進(jìn)行MU-MIMO，否則多 用戶均衡將面臨空域自由度不足（即Rank不夠）的問題，無法正確 恢復(fù)出多用戶的原始信號(hào)。另外，利用同一時(shí)頻資源塊同時(shí)進(jìn)行上行 MU-MIMO的終端總數(shù)不能超過上行接收天線總數(shù)，否則也會(huì)面臨 Rank不夠的情況。上行M

37、U-MIMO還具有以下特點(diǎn)：（1）為了支持上行MU-MIMO，eNode B在同一下行鏈路資源 中調(diào)度兩個(gè)或多個(gè)UE進(jìn)行發(fā)送，每個(gè)UE使用一根發(fā)射天線；（2）每個(gè)UE使用的上行解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）可通過采用 不同的循環(huán)移位方式來區(qū)分，以保證良好的信道估計(jì)性能；（3）循環(huán)移位指示（CSI）在上行授權(quán)中發(fā)送；（4）每個(gè)UE使用不同的循環(huán)移位（CSI），與每個(gè)UE的ACK/NACK映射到不同的PHICH上所采用的循環(huán)移位是相同的。五、LTE中多用戶MIMO方案多用戶MIMO與單用戶MIMO的區(qū)別主要在于:在多用戶MIMO 系統(tǒng)中，用戶組（LTE中只考慮兩個(gè)用戶配對(duì)情況）的數(shù)據(jù)占用相同的 時(shí)頻資源

38、，即用戶組的數(shù)據(jù)在相同的子載波上傳輸。因此，多用戶 MIMO能有效提高系統(tǒng)吞吐量。但隨之而來的問題是多用戶MIMO 系統(tǒng)中如何消除用戶之間的共信道干擾。消除用戶間干擾的最優(yōu)的多 用戶MIMO方案是采用“臟紙理論”的預(yù)編碼方案，該方案要求發(fā) 送端完全已知各用戶之間的干擾，然后通過臟紙理論的預(yù)編碼方法完 全消除用戶之間的干擾。但該方案復(fù)雜度極高，無法在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng) 用。為了把多用戶MIMO技術(shù)用于LTE系統(tǒng)中，各大公司提出了多 種次優(yōu)的多用戶MIMO方案，其中最具有潛力的是PU2RC方案131 和ZF方案。5.1、PU2RC 方案PU2RC方案是由Samsung公司提出來的，該方案全稱為每用戶 歸

39、一速率控制質(zhì)。一User Unitary and Rate Contr01）。其發(fā)射端結(jié)構(gòu)如 圖2所示。PU2RC方案的處理流程為：第一步：接收端信道估計(jì)。各用戶通過信道估計(jì)，估計(jì)出其與基 站之間的信道矩陣。第二步：接收端反饋。接收端依次計(jì)算碼本中每個(gè)預(yù)編碼矢量對(duì) 應(yīng)的SINR值，然后反饋?zhàn)畲骃INR值對(duì)應(yīng)的碼本索引值。第三步：發(fā)送端用戶配對(duì)?；臼占饔脩舴答伒拇a本索引值， 將預(yù)編碼矢量為酉矩陣的不同列矢量的多個(gè)用戶歸為一組。如用戶1 反饋的碼本索引值對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矢量為1，1T，而用戶2反饋的碼本 索引值對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矢量為1，-1T，則將用戶1和用戶2歸為一組。 很顯然，當(dāng)小區(qū)中的用戶數(shù)較多

40、時(shí)，采用相同預(yù)編碼矢量（如1，1T） 的用戶很可能不止一個(gè)，即用戶組中的用戶大于2。這時(shí)就需要根據(jù) 一定的準(zhǔn)則（如吞吐量最大準(zhǔn)則）在用戶組中調(diào)度兩個(gè)用戶進(jìn)行用戶 配對(duì)。第四步：發(fā)送端根據(jù)圖2所示的原理對(duì)已經(jīng)配對(duì)的用戶分別選擇 編碼調(diào)制方式（AMC）并進(jìn)行預(yù)編碼操作，然后發(fā)送出去。第五步：接收端利用MMSE準(zhǔn)則消除其他用戶的干擾，恢復(fù)出 自己的數(shù)據(jù)。圖2 PU2RC發(fā)送端結(jié)構(gòu)圖從上面的分析可知，在PU2RC方案中，基站需要對(duì)配對(duì)的用戶 進(jìn)行嚴(yán)格篩選，只有當(dāng)兩個(gè)用戶反饋的碼本索引值對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矢量 分別為酉矩陣不同的列向量時(shí)，這兩個(gè)用戶才有可能被調(diào)度。這樣就 降低了多用戶分集增益。5.2、ZF方案