無(wú)線(xiàn)通信的閉環(huán)MIMO技術(shù)

　1 引言

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

MIMO系統的發(fā)射方案主要分為兩種類(lèi)型：最大化傳輸速率的空間復用方案（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復用主要通過(guò)在不同天線(xiàn)發(fā)射相互獨立的信號實(shí)現空間復用，如BLAST算法?？諘r(shí)編碼如STBC和STTC空時(shí)算法等，可獲得分集增益，但不能提高數據速率。

以上兩種方案的發(fā)射端都不需要信道信息（CSI），稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)MIMO系統。在信道變化較慢的場(chǎng)合，如大城市的室內環(huán)境和游牧式的接入服務(wù)，閉環(huán) MIMO系統能夠進(jìn)一步提升系統性能。閉環(huán)MIMO系統是接收端將信道信息反饋給發(fā)射端，然后對傳輸數據進(jìn)行預編碼、波束成型或者天線(xiàn)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開(kāi)銷(xiāo)，在實(shí)際系統中，一般都采用部分反饋技術(shù)。例如反饋信道的統計特征值、SVD分解值、基于碼本的碼字序號等，實(shí)現性能和復雜度的權衡。

在移動(dòng)通信系統中，多徑及多徑時(shí)延擴展是移動(dòng)通信中存在的主要問(wèn)題。多徑傳播將導致信號嚴重衰落，時(shí)延擴展導致符號間干擾，這將會(huì )嚴重地影響通信鏈路的質(zhì)量。為了克服無(wú)線(xiàn)信道中的衰落，OFDM技術(shù)也被引入下一代無(wú)線(xiàn)通信系統中，和MIMO技術(shù)相結合，組成下一代無(wú)線(xiàn)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編碼方案，然后比較其復雜度和性能，最后給出仿真結果并討論其在下一代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )中的應用。
2 系統模型

如圖1所示，具有Nt個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和Nr個(gè)接收天線(xiàn)的MIMO系統模型可表示為：
y=Hs+n (1)
其中y∈CNr×1，s∈CNt×1和n∈CNr×1分別表示接收符號、發(fā)射符號和和加性高斯噪聲序列，H∈CNr×Nt為信道矩陣。

　　若發(fā)射端已知信道H的信息，可以對信道進(jìn)行預編碼（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)送訓練序列到發(fā)射端獲得。這就是閉環(huán)MIMO系統，其一般結構如圖2所示

　　閉環(huán)MIMO系統的發(fā)射端的預編碼處理是通過(guò)預編碼矩陣P和發(fā)射數據相乘來(lái)實(shí)現的：
y=HPs+n (2)
=（HP）-1y
當發(fā)射端可以獲得準確的信道信息時(shí)，最佳的傳輸方式可以通過(guò)信道矩陣的奇異值（SVD）分解來(lái)獲得m（mr=UHy=UH（HVs+n）=UH（UDVH） Vs+UHn=Ds+UHn (3)
r=Ds+UHn
=D-1r

　　其中，U和V分別是接收端和發(fā)射端的預處理矩陣，D是信道H的奇異值矩陣，U和V為酉矩陣，D為對角矩陣。

　　3 閉環(huán)MIMO技術(shù)分析

　　3.1 基于碼本的預編碼技術(shù)

在實(shí)際通信系統中，反饋信道信息會(huì )占用較多的資源，而且在快衰落信道中，對反饋信息的效率和準確度要求較高，這時(shí)采用部分反饋的方法較為合適。最典型的部分反饋方案包括：基于碼本的預編碼，基于統計量的預編碼等。接收端收到訓練序列之后，從一系列的碼字集中搜索出來(lái)的最佳的預編碼矩陣，并將其序號和信道信噪比信息反饋給發(fā)射端。

碼本的構造和選擇是預編碼技術(shù)的首要問(wèn)題。碼本是對最優(yōu)預編碼矩陣的一個(gè)量化，碼本的大小和各碼字之間的距離影響預編碼的性能。典型的碼本構造包括Grassmannian方法和正交碼字構造法。前者是根據決定Grassmannian流形來(lái)使得任意兩個(gè)碼字之間的歐氏距離最大，后者是利用正交矩陣進(jìn)行構造，如FFT，DCT和Harmard矩陣等。前者屬于非規則碼字，兩個(gè)碼字之間有干擾，而后者任意兩個(gè)碼字之間相互正交。

　　3.2 基于SVD分解的預編碼技術(shù)

SVD分解相當于通過(guò)虛擬的m（m3.3 多用戶(hù)系統的預編碼技術(shù)

隨著(zhù)MIMO技術(shù)的成熟，多用戶(hù)MIMO技術(shù)也將應用于實(shí)際的無(wú)線(xiàn)通信系統。典型的應用如多個(gè)接收天線(xiàn)的移動(dòng)臺的多用戶(hù)分集傳輸和多用戶(hù)檢測等，使系統的吞吐量最大化。預編碼（波束成形）方法會(huì )選擇最高SNR的用戶(hù)，并使得不同用戶(hù)之間的干擾最小。和點(diǎn)對點(diǎn)的系統相比，這時(shí)基站端不僅要處理不同移動(dòng)臺反饋的信道信息，還要對不同用戶(hù)之間的預編碼進(jìn)行矩陣匹配，以獲得最佳的數據傳輸。

以上這些根據信道信息采用的預編碼（波束成形）方案，其發(fā)射和接收機制的優(yōu)化準則包括：

（1）信道信息（CSI）的誤差；
（2）反饋信息（碼本）的設計；
（3）反饋信息的優(yōu)化策略（碼本的選擇）。

　　4 仿真以驗證預編碼的效果

我們采用ITU信道模型（步行A，3km/h），設發(fā)射天線(xiàn)數為2，接收天線(xiàn)數為2，調制方式為64QAM，采用1/2卷積編碼。發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)的相關(guān)系數分別為0.2和0，信道為平衰落Rayleigh信道模型，假設各天線(xiàn)間信道相互獨立?；跓o(wú)反饋STC空時(shí)編碼、SVD的預編碼反饋和理想反饋的誤包率曲線(xiàn)如圖4所示。從圖中可以看出，閉環(huán)MIMO系統要優(yōu)于開(kāi)環(huán)系統，基于SVD的與編碼系統要優(yōu)于有碼本的預編碼系統。

　　5 結束語(yǔ)

從以上討論和仿真結果可以看出，閉環(huán)MIMO技術(shù)是未來(lái)移動(dòng)通信中一種很有潛力的技術(shù)。隨著(zhù)MIMO技術(shù)在蜂窩網(wǎng)中的應用越來(lái)越成熟，關(guān)于MIMO技術(shù)的研究也從單用戶(hù)點(diǎn)到點(diǎn)的環(huán)境中擴大到多用戶(hù)MIMO系統。多用戶(hù)MIMO的閉環(huán)解決方案也是3G LTE和WiMAX系統的研究熱點(diǎn)之一。最常見(jiàn)的解決方案包括：塊對角化、逐次最優(yōu)化、波束成形法以及結合空時(shí)編碼來(lái)消除多用戶(hù)之間的干擾。

對于閉環(huán)MIMO-OFDM系統，如果各子載波都要進(jìn)行信道信息反饋，則反饋鏈路的開(kāi)銷(xiāo)較大。如何設計減小反饋的數據量，也是MIMO-OFDM系統的研究熱點(diǎn)之一。