MIMO技术详解

1．介绍 随着无线通信系统的充分发展，语音业务已经不能够满足人们对高速数据业务的要求。提供网页浏览、多媒 体数据传输以及其他类型的数据业务是发展无线通信系统和服务的一个重要目的。特别是，基于码分多址的 第三代移动通信系统。虽然已经提出多种利用现有无线资源(诸如码道、时隙、频率等)提高数据传输速率的 建议，但是其只不过是以语音容量换取数据容量的方法。随着 MIMO的技术的出现，一种利用多个发射天线、 多个接收天线进行高速数据传输的方法已经被提出，并成为未来无线通信技术发展的一种趋势。最早提出 MIMO概念的是 Telatar和 Foschini，其中 Foschini等人提出的 BLAST结构是典型的利用 MIMO技术进行 空间多路复用的技术。已经证明，具有 M个发射天线以及 P个接收天线的 MIMO系统，在 P≥M的情况下几 乎可以使得信道容量提高到原来的 M倍。 传统的 MIMO系统均是非扩频的系统，而第三代移动通信系统是基于 CDMA技术的扩频系统。可以采用码 复用(Code-Reuse)方式把MIMO技术与CDMA系统结合起来，从而有效地提高其高速下行分组接入(HSDPA) 的总体数据速率。同样，TD-SCDMA系统也可以采用码复用的方式来应用 MIMO技术，本文给出了一种 TD-SCDMA系统的 MIMO技术解决方案。这样，TD-SCDMA系统将既可以应用智能天线技术，也可以应用 MIMO天线技术，本文将初步分析应用 MIMO技术之后对智能天线技术的影响。 2．MIMO技术概述 MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰 落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品， 从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用 1根发射天线 n根接收天线，发送信号 通过 n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为 n，平均误差概率可 以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提 高系统的可靠性。在一个具有 m根发射天线 n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀 分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为 mn。智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数 据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线 技术也可以算一种天线分集技术。 分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由 度(degrees of freedom)。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并 行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。 需要特别指出的是在高 SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于 m根发射天线 n根接收天线， 并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的。 根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及 T-BLAST。 D-BLAST最先由贝尔实验室的 Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行 编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图 1.b 所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为 D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好处 是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符 号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图 1.b所示， 在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号(对应图中右下角空白部分)，为了保证 D-BLAST的空时 结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用 burst模式的数字通信，并且一个 burst的长度 大于 M(发送天线数目)个发送时间间隔 ，那么 burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层 一层的进行，如图 1.b所示：先检测 c0、c1和 c2，然后 a0、a1和 a2，接着 b0、b1和 b2…… 另外一种简化了的 BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编 码后的第 k个子流直接送到第 k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图 1.c所示，它 的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为 V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于 V-BLAST中数据子流 与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的 数据，检测过程简单。 考虑到 D-BLAST以及 V-BALST模式的优缺点，一种不同于 D-DBLAST与 V-BLAST的空时编码结构被提出： T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹(Threaded)状分布，如图 2所示。原始 数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与 D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得 单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像 V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线 的对应关系周期性改变。更普通的 T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样 T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用 V-BLAST检测算 法进行检测。 3．码复用方式 随着第三代移动通信技术的发展，以及 HSDPA对高速数据传输的需求。MIMO技术与 CDMA系统结合的码 复用(Code-reuse)方式被提出。所谓码复用方式是指通过多根天线上发送出去的不同数据层，采用的扩频码 相同。这样每一层中多个 CDMA码道上的数据可以依靠它们采用的不同的扩频码进行区分，共享同一个扩频 码的不同层中的数据可以依靠它们经历的不同的空间信道的特性进行区分。码复用方式又可以进一步扩展为 同码传输方式和异码传输方式。其中扩频码是信道化码和扰码的乘积，如果不同层上的数据采用的信道化码 和扰码均相同，称为同码传输方式；如果不同层上的数据采用的信道化码不同或者扰码不同，称为异码传输 方式。在码字资源较为丰富时，可以采用异码传输方式提高系统的整体性能。 一个典型的应用于WCDMA系统的码复用方式发射机结构图如下所示。 高速率数据流被多路分解为 MN个子数据流，M组子数据流中的第 n个子流使用第 n个扩谱码。第 m个子数 据流通过第 m根天线发送出去，这样共享同一个扩谱码的子数据流通过不同的天线被发送出去。 所有 M个共享同一个码的子数据流，可以在接收端通过它的空间特性以及多天线接收和空间信号处理技术被 区分出来。信道估计可以通过 M个正交的下行导频序列得到。共享同一个码的 M个子数据流之间会产生空 间多址干扰(MAI)。在平坦衰落信道中，使用不同的码的子数据流之间不会彼此影响，因为码与码之间是正交 的，对于每一组使用相同的码的子数据流，可以使用多用户检测消除 MAI的影响。比如最大似然(ML)检测器 和 V-BLAST检测器。因为最大似然检测器的复杂度与 M呈指数关系，V-BLAST检测器是一个次优和低复杂 度的选择。V-BLAST检测器包括两部分：线性变换和有序的连续干扰消除。线性变换可以使用迫零(ZF)准则 或者最小均方误差(MMSE)准则消除 MAI。线性变换之后具有最大 SINR的编码符号被检测出来，并且把它从 所有接收信号中减去。对于修订后的接收信号向量，继续使用线性变换和有序的连续干扰消除方法，进行信 号提取，直到所有的子数据流被检测出来。最后 MN个子数据流被多路合成为一个高速率的数据流，然后进 行逆映射，解交织和解码。 随着 MIMO技术的发展，以及第三代移动通信系统对高数据传输速率日益增长的需求，把 MIMO技术应用 TD-SCDMA系统中成为一种较好的选择。这不仅使得 TD-SCDMA系统可以支持更高的数据传输速率，为其 提供更丰富的服务提供了支持，而且与智能天线技术形成了有效的补充。 本文节选自《MIMO技术及其在 TD-SCDMA系统中的应用》 作者：索士强，大唐移动通信设备有限公司