關(guān)于BTS 系統中開(kāi)環(huán)和閉環(huán) MIMO 的應用

通過(guò)重新整理方程，可以得到：

(4)

方程(4)顯示，信號x0和x1在兩個(gè)直角路徑中傳輸。因此，只需簡(jiǎn)單的線(xiàn)性處理，就可以單獨檢測和 。

與空間復用相比，Alamouti碼可提供更高的分集增益，且不需要復雜的接收機檢測。然而，Alamouti碼只傳輸一個(gè)數據流而非多個(gè)數據流?？臻g復用著(zhù)眼于空間復用增益，但是空時(shí)碼則瞄準分集增益。要比較這兩個(gè)方案，我要應該考慮信道條件。一種方案只有在特定信道條件下才會(huì )優(yōu)于另一種技術(shù)。許多無(wú)線(xiàn)標準采用了這兩個(gè)方案。如何在兩個(gè)方案間進(jìn)行轉換以實(shí)現最佳性能呢？R.W.Heath Jr. 和A.J. Paulraj 在《MIMO系統中分集和復用的轉換》[1]一文中提出了如何選擇分集增益或復用增益的標準，即選擇能縮短接收機歐氏距離的方案。然而，這種方法需要繁復的搜索，因此不適合實(shí)施。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文建議使用Demmel 條件數進(jìn)行選擇。事實(shí)上，這是非常直觀(guān)的。對于大Demmel條件數，信道更有可能是奇異的，因此應選擇空時(shí)碼。

閉環(huán)MIMO

在現代無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，閉環(huán)MIMO變得越來(lái)越重要。BTS發(fā)射機利用信道信息實(shí)現簡(jiǎn)單空間分集或波束成形技術(shù)，以提高系統的有效SNR，并可能簡(jiǎn)化Rx架構。

我們用兩個(gè)Tx天線(xiàn)和兩個(gè)Rx天線(xiàn)舉例說(shuō)明閉環(huán)MIMO。如果 Tx具有H信道的完整信息，最理想的傳輸方案為：

(5)

其中x是2x1發(fā)射信號向量；s是2x1信息向量；W是注水矩陣。

(6)

若，V就是H的SVD中右邊的酉矩陣。

通過(guò)酉矩陣V，H信道被分成兩個(gè)直角路徑。利用注水矩陣，用更高的SNR為數據流分配更多功率，我們能夠獲得最大的容量。應該注意的是，如果我們設置，

這表示我們將全部功率用于具有更高SNR的路徑，只傳輸單信號流，這便成為最好的SNR解決方案。

這里主要的問(wèn)題是如何獲得發(fā)射機的信道信息。最新的無(wú)線(xiàn)標準分配一個(gè)反饋信道，將信道信息傳輸到BTS發(fā)射機。這一反饋解決方案可用于FDD和TDD系統。由于冗余信道信息給系統上行鏈路造成了沉重的開(kāi)銷(xiāo)，信道信息通常被量化以減小反饋信息的大小。我們稱(chēng)這一量化信息反饋為有限反饋。在WiMAX和LTE中，系統提供了一個(gè)碼本，包括與可能信道相應的預編碼矩陣。根據手機中預估的信道，選擇相應的預解碼矩陣指數并傳回BTS。信道信息的量化不可避免地帶來(lái)了量化誤差。P. Xia和G.B. Giannakis在《設計與分析基于有限速率反饋的發(fā)射波束成形技術(shù)》[2] 中對量化引起的性能損失進(jìn)行了分析。

在反饋解決方案中另一個(gè)值得考慮的是延遲。在慢衰落信道中，信道條件在多幀中保持不變。然而，在快速移動(dòng)的環(huán)境中，信道變?yōu)榭焖ヂ?，對反饋延遲有很高的要求。如果延遲超過(guò)了信道相干時(shí)間，將給閉環(huán)MIMO造成極大的性能損失。

另一個(gè)獲得信道信息的方法是上行鏈路探測。手機在上行鏈路發(fā)射一個(gè)探測信號，然后 BTS 利用信道的互易特性獲得下行鏈路信道信息。上行鏈路探測的優(yōu)勢在于其不需要反饋信道，而且比反饋解決方案延遲更低。然而，這種方法也有缺點(diǎn)。上行鏈路探測適用于 TDD 系統。在 FDD 系統中，下行鏈路和上行鏈路使用不同的頻帶。其信道特性可能不同。盡管有些方法可以彌補這一差別，仍無(wú)法避免性能的損失。在一些系統中，特殊信道只分配給上行鏈路探測使用，從而增加了上行鏈路的開(kāi)銷(xiāo)。

總結

本文討論了不同的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)MIMO技術(shù)。在開(kāi)環(huán)MIMO技術(shù)中，空間復用尋求最大的復用增益，可以在多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)中傳輸多數據流，但Rx里需要有復雜的檢測方法。相比空間復用，Alamouti碼提供了一種非常簡(jiǎn)單的理想檢測方法，可以最大程度實(shí)現分集增益，但只能在多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)中傳輸一個(gè)數據流。選擇空間復用還是Alamouti碼取決于信道條件。

與開(kāi)環(huán)MIMO技術(shù)相比，閉環(huán)MIMO技術(shù)利用信道信息來(lái)改善SNR或容量，并簡(jiǎn)化接收機設計。既然獲得信道信息有延遲，使用者在高移動(dòng)環(huán)境中應用閉環(huán)MIMO需格外謹慎。另外，閉環(huán)MIMO在有限反饋和上行鏈路探測中，因信道信息的不完全會(huì )導致性能損失。

每種MIMO技術(shù)都有其優(yōu)勢和劣勢。在設計無(wú)線(xiàn)系統時(shí)，我們應該考慮服務(wù)類(lèi)型、信道條件、復雜性和延遲，以選擇合適的MIMO技術(shù)。

參考文獻

[1] R.W.Heath Jr.和A.J. Paulraj, 《MIMO 系統中分集增益和復用的轉換》，IEEE 通信學(xué)報，2005 年 1 月，53 卷第6 期，962-968。

[2] P. Xia 和 G.B. Giannakis，《設計與分析基于有限速率反饋的發(fā)射波束成形技術(shù)》, IEEE 信號處理學(xué)報，2006 年 5 月，54 卷，1853– 1863。

關(guān)于作者

Lekun Lin 是 IDT 無(wú)線(xiàn)系統總架構師，主要負責模擬下一代 BTS 并對 WCDMA 和 OFDM BTS 新的芯片組機會(huì )提出要求。他持有美國鹽湖城猶他大學(xué)電機工程專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位。