多用戶(hù)MIMO：下一代移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)

1、引言 
　　多入多出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線(xiàn)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，已經(jīng)有不少關(guān)于點(diǎn)對點(diǎn)的單用戶(hù)MIMO系統的研究。在實(shí)際應用中，系統往往需要一個(gè)基站（BS）同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺（MS）進(jìn)行通信，比如最常見(jiàn)的蜂窩系統和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）等。因此，有關(guān)點(diǎn)對多點(diǎn)的多用戶(hù)MIMO （Multi-user MIMO）系統（如圖1所示）的研究也就應運而生，它比單用戶(hù)MIMO更加復雜。

                      

                              圖1　多用戶(hù)MIMO示意圖

　　2、多用戶(hù)MIMO系統

　　2.1　系統介紹

　?。?）信道模型

　　多用戶(hù)MIMO上行鏈路通常被稱(chēng)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(hù)工作在相同的頻段上，向同一個(gè)基站發(fā)送信號，然后基站通過(guò)適當的方法來(lái)區分用戶(hù)數據，主要問(wèn)題是基站如何針對不同的多址接入方式采用陣列處理、多用戶(hù)檢測（MUD）或者其他有效方法來(lái)分離各個(gè)用戶(hù)的數據。下行鏈路中，基站將通過(guò)處理的數據串并轉換成多個(gè)數據流，每一路數據流經(jīng)脈沖成形、調制，然后通過(guò)多根天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送到無(wú)線(xiàn)空間，每一個(gè)接收天線(xiàn)接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶(hù)的信號與干擾噪  
聲的疊加，主要問(wèn)題是如何消除由此帶來(lái)的多址干擾（MAI）。

　　由于多用戶(hù)MIMO系統中各用戶(hù)的信道彼此獨立，因此，用戶(hù)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(hù)的信道信息，而獲得其他用戶(hù)信道信息需要付出很大的代價(jià)。也就是說(shuō)用戶(hù)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(hù)的信道狀態(tài)信息，對于時(shí)分雙工系統（TDD），這可由基站接收的上行鏈路的訓練或者導頻序列來(lái)獲得，對于頻分雙工（FDD）系統則可以通過(guò)反饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動(dòng)臺（MS）強得多，因此一般都是由基站在發(fā)射信號前做信號預處理（比如波束成形），以消除、抑制干擾或者在接收到信號之后進(jìn)行后處理來(lái)區分用戶(hù)。

　　與單用戶(hù)MIMO不同的是，多用戶(hù)MIMO系統的容量是一個(gè)多維的區域。假設總的發(fā)送功率一定，對于不同用戶(hù)有可能分配不同的功率，從而產(chǎn)生許多不同的信息速率，結果就形成了以用戶(hù)數目為維數的信道容量區域。例如，對于K個(gè)用戶(hù)，信道容量區域則用K維的容量來(lái)表示。

　?。?）收發(fā)兩端的信號處理

　　由于多用戶(hù)MIMO系統使用同一頻段，故可以應用除頻分多址（FDMA）之外的其他多址接入方式。其中，時(shí)分多址（TDMA）頻譜效率較低，碼分多址（CDMA）需要消耗大量的碼資源，而空分多址（SDMA）沒(méi)有這兩個(gè)缺點(diǎn)。同時(shí)，多用戶(hù)MIMO的多天線(xiàn)也能夠很好地滿(mǎn)足空分多址對空間維數的要求，因此空分多址（SDMA）成為多用戶(hù)MIMO系統的一種重要的多址方式。實(shí)際上，為了更好地抵抗衰落，往往需要同時(shí)考慮時(shí)間和空間兩維，因此需要應用空時(shí)編碼來(lái)構造碼字。同時(shí)，空時(shí)譯碼算法和信道估計技術(shù)結合以獲得分集增益和編碼增益。

　　以多用戶(hù)MIMO下行鏈路為例，其空時(shí)處理方法主要有線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N。線(xiàn)性處理方法包括信道求逆法、塊對角化（BD）算法等。非線(xiàn)性處理方法即污紙編碼（DPC）主要有QR分解、網(wǎng)格編碼等。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )調度

　　考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò )的應用將引出很多與調度問(wèn)題相關(guān)的問(wèn)題。對于廣播信道，當大量用戶(hù)通過(guò)快速時(shí)變信道共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候，基站通過(guò)用智能調度算法改進(jìn)信道。一種方法就是以系統吞吐量最大化為目標，即在用戶(hù)信道容量達到最大的時(shí)候向其發(fā)射信息，這就需要考慮網(wǎng)絡(luò )中哪些用戶(hù)在某一時(shí)刻被組合在一起同時(shí)進(jìn)行通信。用戶(hù)組內利用空分多址接入，而組與組之間用其他接入方式，因此也必須考慮用戶(hù)之間的空間相關(guān)性。

　　另外，如果要兼顧有效性和公平性，問(wèn)題就更加復雜了，必須整體考慮，找一個(gè)折衷點(diǎn)。

　　2.2　存在的問(wèn)題——復雜度與性能的折衷

　　雖然多用戶(hù)通信的傳統領(lǐng)域已經(jīng)被充分研究過(guò)了，但在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中引入多天線(xiàn)之后，問(wèn)題又變得復雜起來(lái)了。多用戶(hù)MIMO具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如利用多天線(xiàn)的復用增益來(lái)擴大系統的吞吐量，利用多天線(xiàn)的分集增益來(lái)提高系統性能，利用天線(xiàn)的方向性增益來(lái)區分用戶(hù)而消除用戶(hù)間的干擾等等。然而，如果聯(lián)系實(shí)際應用的實(shí)現問(wèn)題，則必須把算法實(shí)現的復雜度也考慮進(jìn)來(lái)，需要在性能和復雜度之間找一個(gè)折衷點(diǎn)。復雜度可以說(shuō)是多用戶(hù)MIMO技術(shù)所帶來(lái)的眾多優(yōu)點(diǎn)所必需付出的代價(jià)。前面提到的空時(shí)處理方法和網(wǎng)絡(luò )調度都面臨著(zhù)同樣的問(wèn)題。

以空時(shí)處理為例。線(xiàn)性的空時(shí)處理方法復雜度比較低，但是性能較差，進(jìn)一步迫近多用戶(hù)信道的總容量，我們必須找到一種更好的處理方法，從這方面來(lái)說(shuō)，DPC是個(gè)不錯的選擇，不過(guò)其編碼復雜度又太高，實(shí)現起來(lái)不容易。再加上如果將高斯信道擴展到更加符合實(shí)際的時(shí)間和頻率選擇性信道，處理的復雜度也就更加高了。另外，目前多用戶(hù)MIMO信道的大部分處理方法都是假設發(fā)射端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息（CSI），由于系統會(huì )有一定的處理時(shí)延，當信道變化劇烈的時(shí)候這實(shí)際上是很難得到的，因此還必須考慮得到的信道狀態(tài)信息不夠準確（ICSI）的情況。 


　　2.3　虛擬MIMO

　　在多用戶(hù)MIMO中，從實(shí)際出發(fā)，往往是假設各終端用戶(hù)之間是沒(méi)有協(xié)作的。對于多用戶(hù)MIMO的上行鏈路，存在一種特殊的形式，即每個(gè)用戶(hù)終端只有一個(gè)天線(xiàn)，但是它們之間存在一定協(xié)作的情況。WiMAX中已經(jīng)采用了這種技術(shù)，并將其稱(chēng)為虛擬MIMO（Virtual MIMO）。

　　理想的MIMO多天線(xiàn)系統要求相鄰天線(xiàn)之間的間距要遠大于電波波長(cháng)，并且多個(gè)收發(fā)天線(xiàn)之間的傳輸信道是不相關(guān)的，而由于質(zhì)量、體積和功耗等的限制，移動(dòng)終端很難實(shí)現多個(gè)天線(xiàn)的安置。于是Sendonaris等人提出了一種新的空域分集技術(shù)——協(xié)作分集，其基本原理是：每個(gè)單天線(xiàn)的移動(dòng)終端都有一個(gè)或多個(gè)合作伙伴（Partner），它除了要傳輸自己的信息之外，還要負責傳輸其合作伙伴的信息。這樣，相當于相互協(xié)作的移動(dòng)終端共享了彼此的天線(xiàn)，構造了一個(gè)“虛擬”的MIMO，虛擬MIMO因此得名。在虛擬MIMO系統中，每個(gè)終端在傳輸信息的過(guò)程中既利用了自己又利用了其它終端  
的空間信道，從而獲取了一定的空間分集增益，實(shí)現了單天線(xiàn)移動(dòng)終端的空域分集。在平衰落環(huán)境下，虛擬MIMO可以擴大系統容量，提高網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量，改善系統性能。

　　以無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò )為例?；居捎诠?、體積限制更寬，處理能力更強，因此比移動(dòng)臺擁有更多的天線(xiàn)配置，而每個(gè)移動(dòng)臺鑒于質(zhì)量、體積和功耗的限制，只有一個(gè)天線(xiàn)?？紤]上行鏈路，對于每一個(gè)移動(dòng)臺來(lái)說(shuō)，都是一個(gè)SIMO系統。倘若把多個(gè)移動(dòng)臺的發(fā)送聯(lián)合起來(lái)，動(dòng)態(tài)的將兩個(gè)單天線(xiàn)發(fā)送的移動(dòng)臺配成一對，共享移動(dòng)臺之間的天線(xiàn)，進(jìn)行虛擬的MIMO發(fā)送，這樣2個(gè)MIMO信道具有較好正交性的移動(dòng)臺可以共享相同的時(shí)/頻資源，從而提高上行系統的容量。移動(dòng)臺 MS1除了要向基站傳送自己的信息外，還要把從移動(dòng)臺MS2接收到的信息發(fā)送給基站BS。同時(shí)，MS1的一部分信息也由MS2接收，并轉發(fā)給BS。這樣， MS1與BS間就產(chǎn)生兩條獨立衰落路徑：一條是MS1與BS之間的直接傳輸路徑；另一條是MS1、MS2與BS間的間接傳輸路徑，由此通過(guò)模仿傳統的多發(fā)射天線(xiàn)分集來(lái)獲得空間分集增益?；究梢酝ㄟ^(guò)干擾抵消，ML等聯(lián)合檢測技術(shù)，能有效的對抗多用戶(hù)干擾。

　　Virtual MIMO技術(shù)目前已應用于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )中，同時(shí)，它是WiMAX工業(yè)標準的一部分，也由3GPP WCDMA長(cháng)期演化計劃LTE和3GPP2 CDMA EV-DO版本C標準所規范?？梢哉f(shuō)，該技術(shù)為MIMO多天線(xiàn)技術(shù)走向實(shí)用提供了一條新的途徑。該技術(shù)具備上述眾多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，它也將在一定程度上影響現有的商業(yè)模式。由于系統中的用戶(hù)之間需要相互合作，而不同用戶(hù)各方面條件（終端、信道條件、業(yè)務(wù)種類(lèi)等等）具有不對稱(chēng)性，協(xié)作過(guò)程中某特定用戶(hù)的“所得” 和“所失”可能并不平衡，這就需要配備相應的流量計費系統來(lái)進(jìn)行均衡，根據統計的結果采取適當的方式對相對“得到”較多的用戶(hù)進(jìn)行收費，同時(shí)對“付出”較多的用戶(hù)進(jìn)行相應補償。也只有這樣才可以驅動(dòng)用戶(hù)為其他用戶(hù)“付出”。

　　Virtual MIMO技術(shù)存在的主要問(wèn)題是協(xié)作用戶(hù)之間的同步問(wèn)題以及安全問(wèn)題。

　　3、跨層研究

　　現代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )采用分層協(xié)議模型，即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層等。如果保持嚴格的模塊化，也就是說(shuō)每層只與相鄰層通信，則網(wǎng)絡(luò )效率較低，甚至可能產(chǎn)生負面影響。因此，跨層（Cross-layer）技術(shù)的概念被逐漸引進(jìn)來(lái)，即利用層間的協(xié)同算法，處理不同協(xié)議層類(lèi)似的問(wèn)題，如安全性、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、移動(dòng)性等等。媒體接入控制（MAC）層可以分配較長(cháng)的信道占用時(shí)間給調質(zhì)速率較低的鏈路，來(lái)滿(mǎn)足吞吐量的限制；網(wǎng)絡(luò )層的路由協(xié)議可以重傳信息，以減小高速率下的擁塞；應用層可用編碼解決不同路徑的分集?？鐚釉O計的重點(diǎn)是找出關(guān)鍵層以及次要層，其中，關(guān)鍵層即需要重點(diǎn)考慮的一層，次要層是指忽略該層之后系統所產(chǎn)生的性能損失能夠達到最小的一層。目前，在多用戶(hù)MIMO方面已有相關(guān)的研究，例如，物理層結構對數據鏈路層QoS的影響；MIMO自組織網(wǎng)絡(luò )（Ad Hoc）中媒體接入控制（MAC）層和物理層（PHY）的跨層設計；多用戶(hù)MIMO系統的跨層調度等等。

　　4、相關(guān)應用

　　多用戶(hù)MIMO的典型應用就是多天線(xiàn)基站的無(wú)線(xiàn)通信，即多天線(xiàn)基站同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺進(jìn)行通信。另外，向多個(gè)移動(dòng)臺發(fā)送數據的多個(gè)蜂窩小區基站的協(xié)調也受到關(guān)注。

其實(shí)，許多發(fā)射終端能夠合作而MIMO信道接收端卻不能夠協(xié)作的情形，都可以應用這種模型來(lái)分析。比如，每個(gè)用戶(hù)存在線(xiàn)間串擾的DSL系統下行鏈路就是這樣一種情形，基站合作的多包多接入信道，高速電路的片對片互聯(lián)，以及頻率選擇性信道中用于多址接入的正 交頻率復用（OFDM）等等都可以。和蜂窩系統中的多徑一樣，在這些情形下，如果在發(fā)射和接收端進(jìn)行適當的信號處理，串擾和衰落就能提供額外的分集度。 


　　在多用戶(hù)MIMO技術(shù)優(yōu)勢的驅動(dòng)下，不少公司也逐漸將其推向市場(chǎng)。例如，Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中發(fā)展了多天線(xiàn)技術(shù)。當與多個(gè)無(wú)線(xiàn)用戶(hù)通信時(shí)，這種多天線(xiàn)接入點(diǎn)具備多用戶(hù)MIMO的提高吞吐量、增強分集度以及減少干擾的潛力。

　　目前，虛擬MIMO技術(shù)已逐漸向著(zhù)商品化的方向邁進(jìn)。2006年10月，北電網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了業(yè)界首次利用虛擬MIMO技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳輸試驗。這一技術(shù)可以幫助移動(dòng)運營(yíng)商大幅度增加寬帶用戶(hù)。對于4G運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，這一技術(shù)意味著(zhù)同樣的投資可以換來(lái)更大的收入。2007年5月，諾基亞西門(mén)子合資公司目前已經(jīng)與德國Fraunhofer電信研究所共同完成了虛擬多入多出技術(shù)（Virtual MIMO）的測試，大大提高手機數據傳輸速度，下一代無(wú)線(xiàn)高速LTE（長(cháng)期演進(jìn)）手機的數據上傳速度能夠達到108Mb/s。這些無(wú)疑都為運營(yíng)商向4G移動(dòng)通信技術(shù)演化提供了更加明確的途徑。

　　5、結束語(yǔ)

 
　　多入多出（MIMO）技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線(xiàn)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)之一，考慮到實(shí)際系統往往是一個(gè)基站（BS）同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺（MS）進(jìn)行通信的實(shí)際情況，多用戶(hù)MIMO更加貼近實(shí)際。作為多用戶(hù)MIMO技術(shù)中的特例，虛擬MIMO利用協(xié)作分集，更好地解決了終端的條件限制問(wèn)題，為MIMO多天線(xiàn)技術(shù)走向實(shí)用提供了一條新的途徑，使得MIMO技術(shù)大規模商用的可能性大大增加。