MIMO技術(shù)及其在TD-SCDMA系統中的應用
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隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信系統的充分發(fā)展，語(yǔ)音業(yè)務(wù)已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足人們對高速數據業(yè)務(wù)的要求。提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽、多媒體數據傳輸以及其他類(lèi)型的數據業(yè)務(wù)是發(fā)展無(wú)線(xiàn)通信系統和服務(wù)的一個(gè)重要目的。特別是，基于碼分多址的第三代移動(dòng)通信系統。雖然已經(jīng)提出多種利用現有無(wú)線(xiàn)資源（諸如碼道、時(shí)隙、頻率等）提高數據傳輸速率的建議，但是其只不過(guò)是以語(yǔ)音容量換取數據容量的方法。隨著(zhù)MIMO的技術(shù)的出現，一種利用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)、多個(gè)接收天線(xiàn)進(jìn)行高速數據傳輸的方法已經(jīng)被提出，并成為未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST結構是典型的利用MIMO技術(shù)進(jìn)行空間多路復用的技術(shù)。已經(jīng)證明，具有M個(gè)發(fā)射天線(xiàn)以及P個(gè)接收天線(xiàn)的MIMO系統，在P≥M的情況下幾乎可以使得信道容量提高到原來(lái)的M倍。
傳統的MIMO系統均是非擴頻的系統，而第三代移動(dòng)通信系統是基于CDMA技術(shù)的擴頻系統?？梢圆捎么a復用（Code-Reuse）方式把MIMO技術(shù)與CDMA系統結合起來(lái)，從而有效地提高其高速下行分組接入（HSDPA）的總體數據速率。同樣，TD-SCDMA系統也可以采用碼復用的方式來(lái)應用MIMO技術(shù)，本文給出了一種TD-SCDMA系統的MIMO技術(shù)解決方案。這樣，TD-SCDMA系統將既可以應用智能天線(xiàn)技術(shù)，也可以應用MIMO天線(xiàn)技術(shù)，本文將初步分析應用MIMO技術(shù)之后對智能天線(xiàn)技術(shù)的影響。
2．MIMO技術(shù)概述
MIMO技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：發(fā)射/接收分集和空間復用。傳統的多天線(xiàn)被用來(lái)增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過(guò)不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機端可以獲得數據符號多個(gè)獨立衰落的復制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來(lái)說(shuō)，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線(xiàn)n根接收天線(xiàn)，發(fā)送信號通過(guò)n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線(xiàn)之間的衰落是獨立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線(xiàn)衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術(shù)來(lái)說(shuō)，同樣是利用多條路徑的增益來(lái)提高系統的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線(xiàn)n根接收天線(xiàn)的系統中，如果天線(xiàn)對之間的路徑增益是獨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(xiàn)技術(shù)也是通過(guò)不同的發(fā)射天線(xiàn)來(lái)發(fā)送相同的數據，形成指向某些用戶(hù)的賦形波束，從而有效的提高天線(xiàn)增益，降低用戶(hù)間的干擾。廣義上來(lái)說(shuō)，智能天線(xiàn)技術(shù)也可以算一種天線(xiàn)分集技術(shù)。
分集技術(shù)主要用來(lái)對抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來(lái)增加通信中的自由度（degrees of freedom）。從本質(zhì)上來(lái)講，如果每對發(fā)送接收天線(xiàn)之間的衰落是獨立的，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，可以提供傳輸數據速率，這被成為空間復用。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)對于m根發(fā)射天線(xiàn)n根接收天線(xiàn)，并且天線(xiàn)對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的，信道容量為：
其中 即為自由度。
根據子數據流與天線(xiàn)之間的對應關(guān)系，空間多路復用系統大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。
D-BLAST最先由貝爾實(shí)驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數據被分為若干子流，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(xiàn)相對應，但是這種對應關(guān)系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時(shí)間與空間上均呈對角線(xiàn)形狀，稱(chēng)為D-BLAST（Diagonally- BLAST）。D-BLAST的好處是，使得所有層的數據可以通過(guò)不同的路徑發(fā)送到接收機端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點(diǎn)是，由于符號在空間與時(shí)間上呈對角線(xiàn)形狀，使得一部分空時(shí)單元被浪費，或者增加了傳輸數據的冗余。如圖1.b所示，在數據發(fā)送開(kāi)始時(shí)，有一部分空時(shí)單元未被填入符號（對應圖中右下角空白部分），為了保證D-BLAST的空時(shí)結構，在發(fā)送結束肯定也有一部分空時(shí)單元被浪費。如果采用burst模式的數字通信，并且一個(gè)burst的長(cháng)度大于M（發(fā)送天線(xiàn)數目）個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 ，那么burst的長(cháng)度越小，這種浪費越嚴重。它的數據檢測需要一層一層的進(jìn)行，如圖1.b所示：先檢測c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接著(zhù)b0、b1和b2……
另外一種簡(jiǎn)化了的BLAST結構同樣最先由貝爾實(shí)驗室提出。它采用一種直接的天線(xiàn)與層的對應關(guān)系，即編碼后的第k個(gè)子流直接送到第k根天線(xiàn)，不進(jìn)行數據流與天線(xiàn)之間對應關(guān)系的周期改變。如圖1.c所示，它的數據流在時(shí)間與空間上為連續的垂直列向量，稱(chēng)為V-BLAST（Vertical-BLAST）。由于V-BLAST中數據子流與天線(xiàn)之間只是簡(jiǎn)單的對應關(guān)系，因此在檢測過(guò)程中，只要知道數據來(lái)自哪根天線(xiàn)即可以判斷其是哪一層的數據，檢測過(guò)程簡(jiǎn)單。
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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)編碼結構被提出：T-BLAST。等文獻分別提及這種結構。它的層在空間與時(shí)間上呈螺紋（Threaded）狀分布，如圖2所示。原始數據流被多路分解為若干子流之后，每個(gè)子流被對應的天線(xiàn)發(fā)送出去，并且這種對應關(guān)系周期性改變，與D-BLAST系統不同的是，在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)送，而是所有天線(xiàn)均進(jìn)行發(fā)送，使得單從一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 來(lái)看，它的空時(shí)分布很像V-BALST，只不過(guò)在不同的時(shí)間間隔中，子數據流與天線(xiàn)的對應關(guān)系周期性改變。更普通的T-BLAST結構是這種對應關(guān)系不是周期性改變，而是隨機改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒(méi)有空時(shí)單元的浪費，并且可以使用V-BLAST檢測算法進(jìn)行檢測。
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3．碼復用方式
隨著(zhù)第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，以及HSDPA對高速數據傳輸的需求。MIMO技術(shù)與CDMA系統結合的碼復用（Code-reuse）方式被提出。所謂碼復用方式是指通過(guò)多根天線(xiàn)上發(fā)送出去的不同數據層，采用的擴頻碼相同。這樣每一層中多個(gè)CDMA碼道上的數據可以依靠它們采用的不同的擴頻碼進(jìn)行區分，共享同一個(gè)擴頻碼的不同層中的數據可以依靠它們經(jīng)歷的不同的空間信道的特性進(jìn)行區分。碼復用方式又可以進(jìn)一步擴展為同碼傳輸方式和異碼傳輸方式。其中擴頻碼是信道化碼和擾碼的乘積，如果不同層上的數據采用的信道化碼和擾碼均相同，稱(chēng)為同碼傳輸方式；如果不同層上的數據采用的信道化碼不同或者擾碼不同，稱(chēng)為異碼傳輸方式。在碼字資源較為豐富時(shí)，可以采用異碼傳輸方式提高系統的整體性能。
一個(gè)典型的應用于WCDMA系統的碼復用方式發(fā)射機結構圖如下所示。
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高速率數據流被多路分解為MN個(gè)子數據流，M組子數據流中的第n個(gè)子流使用第n個(gè)擴譜碼
（ ）。第m個(gè)子數據流（ ）通過(guò)第m根天線(xiàn)發(fā)送出去，這樣共享同一個(gè)擴譜碼的子數據流通過(guò)不同的天線(xiàn)被發(fā)送出去。
所有M個(gè)共享同一個(gè)碼的子數據流，可以在接收端通過(guò)它的空間特性以及多天線(xiàn)接收和空間信號處理技術(shù)被區分出來(lái)。信道估計可以通過(guò)M個(gè)正交的下行導頻序列得到。共享同一個(gè)碼的M個(gè)子數據流之間會(huì )產(chǎn)生空間多址干擾（MAI）。在平坦衰落信道中，使用不同的碼的子數據流之間不會(huì )彼此影響，因為碼與碼之間是正交的，對于每一組使用相同的碼的子數據流，可以使用多用戶(hù)檢測消除MAI的影響。比如最大似然（ML）檢測器和V-BLAST檢測器。因為最大似然檢測器的復雜度與M呈指數關(guān)系，V-BLAST檢測器是一個(gè)次優(yōu)和低復雜度的選擇。V-BLAST檢測器包括兩部分：線(xiàn)性變換和有序的連續干擾消除。線(xiàn)性變換可以使用迫零（ZF）準則或者最小均方誤差（MMSE）準則消除MAI。線(xiàn)性變換之后具有最大SINR的編碼符號被檢測出來(lái)，并且把它從所有接收信號中減去。對于修訂后的接收信號向量，繼續使用線(xiàn)性變換和有序的連續干擾消除方法，進(jìn)行信號提取，直到所有的子數據流被檢測出來(lái)。最后MN個(gè)子數據流被多路合成為一個(gè)高速率的數據流，然后進(jìn)行逆映射，解交織和解碼。
4．MIMO技術(shù)與TD-SCDMA系統的結合
利用碼道、時(shí)隙等無(wú)線(xiàn)資源的分配雖然可以達到提高傳輸速率的目的，但是它只是對現有資源的再分配，并沒(méi)有增加額外的資源可供利用，所以其傳輸速率的提高是有限的。尤其是對于以高的頻率效率著(zhù)稱(chēng)的TD-SCDMA系統來(lái)說(shuō)，由于其采用智能天線(xiàn)技術(shù)，基本上對于現有無(wú)線(xiàn)資源的利用已經(jīng)很充分。因此為了大幅度的提高系統的傳輸速率，采用MIMO技術(shù)成為一種較好的選擇。
TD-SCDMA系統同樣采用碼復用方式與MIMO技術(shù)進(jìn)行結合。假設發(fā)射天線(xiàn)數目為M，接收天線(xiàn)數目為P。一個(gè)時(shí)隙中的用戶(hù)數據 首先按照天線(xiàn)個(gè)數被分解為L(cháng)個(gè)子數據流，每一個(gè)子流被稱(chēng)為一層數據。這一層的全部數據均通過(guò)一根相應的發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送出去，在發(fā)送之前，每一層數據再次被分為C組，并被分配到C個(gè)CDMA碼道上。然后，每個(gè)碼道上的數據分別進(jìn)行編碼、擴頻、調制和加擾，并加入訓練序列形成突發(fā)結構。最后，每一層數據中的C個(gè)碼道進(jìn)行合并得到一層的發(fā)送數據，并通過(guò)相對應的天線(xiàn)發(fā)送出去。當發(fā)送天線(xiàn)數目大于發(fā)送層的數目時(shí)，可以激活天線(xiàn)加權單元，從而通過(guò)加權處理使得層數據通過(guò)相應的天線(xiàn)發(fā)送出去。如下圖所示。
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不同層上的數據可以使用相同擴頻碼傳輸或者不同擴頻碼傳輸。擴頻碼由信道化碼和擾碼共同構成，其中同碼傳輸指不同的層上使用相同的信道化碼和相同的擾碼，異碼傳輸包含多種情況，可以是信道化碼不同但擾碼相同，也可以是信道化碼相同但擾碼不同，或者它們的組合。其中約定，不同層上的數據采用相同的擴頻系數Q，擴頻系數可以從1、2、4、8、16中選擇，并且不同層上分配的碼道數目相同。為了在接收機端獲得來(lái)自不同發(fā)射天線(xiàn)的信道沖激響應，每層需要分配不同的訓練序列，即同一層的所有數據不論其來(lái)自哪一個(gè)用戶(hù)、占用哪一個(gè)碼道均使用同一個(gè)訓練序列進(jìn)行發(fā)送。不同層使用的訓練序列由同一個(gè)基本訓練序列通過(guò)偏移產(chǎn)生。
TD-SCDMA系統中訓練序列的主要作用是進(jìn)行信道估計，在非MIMO的TD-SCDMA系統中，還可以通過(guò)訓練序列附帶額外的信息，使得在終端進(jìn)行接收時(shí)，通過(guò)訓練序列偏移值相關(guān)信息，獲得其他用戶(hù)的信道化碼信息，從而進(jìn)行多用戶(hù)檢測。它有通用（common）和缺?。╠efault）兩種方式，其中通用方式是指在基站下行發(fā)送時(shí)，所有碼道使用相同的訓練序列，并用該訓練序列與基本訓練序列之間的偏移值告知終端有多少信道化碼在使用中；缺省方式是建立一種訓練序列偏移值與信道化碼之間的一一對應關(guān)系，每個(gè)碼道使用不同偏移值的訓練序列，終端在進(jìn)行信道估計之后，通過(guò)這種對應關(guān)系獲得所有用戶(hù)的信道化碼。
那么在支持MIMO之后，原來(lái)兩種分配方式勢必要改變，這是因為訓練序列必須與發(fā)射天線(xiàn)（層）相對應，而且訓練序列還需附帶層的序號信息，即告知接收機當前被檢測層在發(fā)射機端處于所有層中的位置，以便多路合并時(shí)能夠正確恢復出原始數據。除此之外，接收機還需要知道擾碼信息和信道化碼信息，以便進(jìn)行多用戶(hù)的檢測。因此，對于應用MIMO技術(shù)的TD-SCDMA系統來(lái)說(shuō)，其訓練序列除了信道估計的作用之外，應該還具有如下三方面的作用：攜帶層序號信息；攜帶擾碼分配信息；攜帶信道化碼信息。
5．MIMO技術(shù)與智能天線(xiàn)技術(shù)
智能天線(xiàn)技術(shù)和MIMO技術(shù)在本質(zhì)上是有區別的。智能天線(xiàn)技術(shù)是利用多根發(fā)送天線(xiàn)上發(fā)送相同的數據流，并且根據用戶(hù)的具體來(lái)波方向進(jìn)行加權，利用波束賦形為特定用戶(hù)提供定向的波束，降低多址干擾。其主要目的是提高鏈路的可靠性，并且充分的利用現有CDMA信道。再使用智能天線(xiàn)技術(shù)之后，TD-SCDMA系統基本上可以上全碼道工作。
而MIMO技術(shù)則是在不同的天線(xiàn)上發(fā)送不同的數據流，提供空間多路復用增益，提高整體的信道容量。在加上碼復用方式的使用，使用MIMO技術(shù)的TD-SCDMA系統可以在原來(lái)16個(gè)碼道的基礎上額外增加碼道數目，從而提高其整體的數據傳輸速率。
智能天線(xiàn)技術(shù)和MIMO技術(shù)又是可以相互補充的。智能天線(xiàn)技術(shù)提供高的鏈路可靠性，MIMO技術(shù)提供高的信道容量，其目的和應用范圍不同。智能天線(xiàn)技術(shù)要求空間信道具有較高的相關(guān)性，而MIMO技術(shù)則要求空間信道的相關(guān)性較小。這就決定了兩者適用于不同的信道環(huán)境。一般來(lái)說(shuō)，智能天線(xiàn)技術(shù)在室外等散射體較少的無(wú)線(xiàn)環(huán)境可以獲得較好的性能，在室內等多散射體的無(wú)線(xiàn)環(huán)境則性能較差，MIMO技術(shù)恰恰比較適合于這種環(huán)境，它可以成為智能天線(xiàn)技術(shù)的有效補充，并使得TD-SCDMA支持更豐富的服務(wù)。
6．展望
隨著(zhù)MIMO技術(shù)的發(fā)展，以及第三代移動(dòng)通信系統對高數據傳輸速率日益增長(cháng)的需求，把MIMO技術(shù)應用TD-SCDMA系統中成為一種較好的選擇。這不僅使得TD-SCDMA系統可以支持更高的數據傳輸速率，為其提供更豐富的服務(wù)提供了支持，而且與智能天線(xiàn)技術(shù)形成了有效的補充。
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