多用戶MIMO：下一代移動通信關鍵技術

摘要　文章從信道模型、收發(fā)兩端的相關信號處理、網(wǎng)絡調(diào)度三個方面介紹了多用戶MIMO系統(tǒng)，特別是虛擬MIMO技術，接著介紹了跨層研究的概況，最后給出了相關技術的應用情況。

1、引言

多入多出（MIMO）技術已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一。目前，已經(jīng)有不少關于點對點的單用戶MIMO系統(tǒng)的研究。在實際應用中，系統(tǒng)往往需要一個基站（BS）同時和多個移動臺（MS）進行通信，比如最常見的蜂窩系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)（WLAN）等。因此，有關點對多點的多用戶MIMO（Multi-user MIMO）系統(tǒng)（如圖1所示）的研究也就應運而生，它比單用戶MIMO更加復雜。

2、多用戶MIMO系統(tǒng)

2.1　系統(tǒng)介紹

（1）信道模型

多用戶MIMO上行鏈路通常被稱作多址接入信道（MAC），下行鏈路則為廣播信道（BC）。在上行鏈路中，所有用戶工作在相同的頻段上，向同一個基站發(fā)送信號，然后基站通過適當?shù)姆椒▉韰^(qū)分用戶數(shù)據(jù)，主要問題是基站如何針對不同的多址接入方式采用陣列處理、多用戶檢測（MUD）或者其他有效方法來分離各個用戶的數(shù)據(jù)。下行鏈路中，基站將通過處理的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換成多個數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖成形、調(diào)制，然后通過多根天線同時發(fā)送到無線空間，每一個接收天線接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶的信號與干擾噪聲的疊加，主要問題是如何消除由此帶來的多址干擾（MAI）。

由于多用戶MIMO系統(tǒng)中各用戶的信道彼此獨立，因此，用戶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的信道信息，而獲得其他用戶信道信息需要付出很大的代價。也就是說用戶之間很難進行協(xié)作。與此相反，基站有條件獲得所有通信用戶的信道狀態(tài)信息，對于時分雙工系統(tǒng)（TDD），這可由基站接收的上行鏈路的訓練或者導頻序列來獲得，對于頻分雙工（FDD）系統(tǒng)則可以通過反饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動臺（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行后處理來區(qū)分用戶。

與單用戶MIMO不同的是，多用戶MIMO系統(tǒng)的容量是一個多維的區(qū)域。假設總的發(fā)送功率一定，對于不同用戶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(jié)果就形成了以用戶數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如，對于K個用戶，信道容量區(qū)域則用K維的容量來表示。

（2）收發(fā)兩端的信號處理

由于多用戶MIMO系統(tǒng)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）沒有這兩個缺點。同時，多用戶MIMO的多天線也能夠很好地滿足空分多址對空間維數(shù)的要求，因此空分多址（SDMA）成為多用戶MIMO系統(tǒng)的一種重要的多址方式。實際上，為了更好地抵抗衰落，往往需要同時考慮時間和空間兩維，因此需要應用空時編碼來構(gòu)造碼字。同時，空時譯碼算法和信道估計技術結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。

以多用戶MIMO下行鏈路為例，其空時處理方法主要有線性和非線性兩種。線性處理方法包括信道求逆法、塊對角化（BD）算法等。非線性處理方法即污紙編碼（DPC）主要有QR分解、網(wǎng)格編碼等。

（3）網(wǎng)絡調(diào)度

考慮實際網(wǎng)絡的應用將引出很多與調(diào)度問題相關的問題。對于廣播信道，當大量用戶通過快速時變信道共享一個網(wǎng)絡的時候，基站通過用智能調(diào)度算法改進信道。一種方法就是以系統(tǒng)吞吐量最大化為目標，即在用戶信道容量達到最大的時候向其發(fā)射信息，這就需要考慮網(wǎng)絡中哪些用戶在某一時刻被組合在一起同時進行通信。用戶組內(nèi)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之間的空間相關性。

另外，如果要兼顧有效性和公平性，問題就更加復雜了，必須整體考慮，找一個折衷點。

2.2　存在的問題——復雜度與性能的折衷

雖然多用戶通信的傳統(tǒng)領域已經(jīng)被充分研究過了，但在無線網(wǎng)絡中引入多天線之后，問題又變得復雜起來了。多用戶MIMO具有很多優(yōu)點，比如利用多天線的復用增益來擴大系統(tǒng)的吞吐量，利用多天線的分集增益來提高系統(tǒng)性能，利用天線的方向性增益來區(qū)分用戶而消除用戶間的干擾等等。然而，如果聯(lián)系實際應用的實現(xiàn)問題，則必須把算法實現(xiàn)的復雜度也考慮進來，需要在性能和復雜度之間找一個折衷點。復雜度可以說是多用戶MIMO技術所帶來的眾多優(yōu)點所必需付出的代價。前面提到的空時處理方法和網(wǎng)絡調(diào)度都面臨著同樣的問題。

以空時處理為例。線性的空時處理方法復雜度比較低，但是性能較差，進一步迫近多用戶信道的總?cè)萘浚�我們必須找到一種更好的處理方法，從這方面來說，DPC是個不錯的選擇，不過其編碼復雜度又太高，實現(xiàn)起來不容易。再加上如果將高斯信道擴展到更加符合實際的時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(tǒng)會有一定的處理時延，當信道變化劇烈的時候這實際上是很難得到的，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MIMO中，從實際出發(fā)，往往是假設各終端用戶之間是沒有協(xié)作的。對于多用戶MIMO的上行鏈路，存在一種特殊的形式，即每個用戶終端只有一個天線，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，并將其稱為虛擬MIMO（Virtual MIMO）。

理想的MIMO多天線系統(tǒng)要求相鄰天線之間的間距要遠大于電波波長，并且多個收發(fā)天線之間的傳輸信道是不相關的，而由于質(zhì)量、體積和功耗等的限制，移動終端很難實現(xiàn)多個天線的安置。于是Sendonaris等人提出了一種新的空域分集技術——協(xié)作分集，其基本原理是：每個單天線的移動終端都有一個或多個合作伙伴（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)作的移動終端共享了彼此的天線，構(gòu)造了一個“虛擬”的MIMO，虛擬MIMO因此得名。在虛擬MIMO系統(tǒng)中，每個終端在傳輸信息的過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，實現(xiàn)了單天線移動終端的空域分集。在平衰落環(huán)境下，虛擬MIMO可以擴大系統(tǒng)容量，提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，改善系統(tǒng)性能。

以無線蜂窩網(wǎng)絡為例。基站由于功耗、體積限制更寬，處理能力更強，因此比移動臺擁有更多的天線配置，而每個移動臺鑒于質(zhì)量、體積和功耗的限制，只有一個天線�？紤]上行鏈路，對于每一個移動臺來說，都是一個SIMO系統(tǒng)。倘若把多個移動臺的發(fā)送聯(lián)合起來，動態(tài)的將兩個單天線發(fā)送的移動臺配成一對，共享移動臺之間的天線，進行虛擬的MIMO發(fā)送，這樣2個MIMO信道具有較好正交性的移動臺可以共享相同的時/頻資源，從而提高上行系統(tǒng)的容量。移動臺MS1除了要向基站傳送自己的信息外，還要把從移動臺MS2接收到的信息發(fā)送給基站BS。同時，MS1的一部分信息也由MS2接收，并轉(zhuǎn)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，由此通過模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來獲得空間分集增益�；�站可以通過干擾抵消，ML等聯(lián)合檢測技術，能有效的對抗多用戶干擾。

Virtual MIMO技術目前已應用于Wi-Fi網(wǎng)絡中，同時，它是WiMAX工業(yè)標準的一部分，也由3GPP WCDMA長期演化計劃LTE和3GPP2 CDMA EV-DO版本C標準所規(guī)范。可以說，該技術為MIMO多天線技術走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。該技術具備上述眾多優(yōu)點，同時，它也將在一定程度上影響現(xiàn)有的商業(yè)模式。由于系統(tǒng)中的用戶之間需要相互合作，而不同用戶各方面條件（終端、信道條件、業(yè)務種類等等）具有不對稱性，協(xié)作過程中某特定用戶的“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(tǒng)來進行均衡，根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果采取適當?shù)姆绞綄ο鄬?ldquo;得到”較多的用戶進行收費，同時對“付出”較多的用戶進行相應補償。也只有這樣才可以驅(qū)動用戶為其他用戶“付出”。

Virtual MIMO技術存在的主要問題是協(xié)作用戶之間的同步問題以及安全問題。

3、跨層研究

現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡采用分層協(xié)議模型，即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層等。如果保持嚴格的模塊化，也就是說每層只與相鄰層通信，則網(wǎng)絡效率較低，甚至可能產(chǎn)生負面影響。因此，跨層（Cross-layer）技術的概念被逐漸引進來，即利用層間的協(xié)同算法，處理不同協(xié)議層類似的問題，如安全性、服務質(zhì)量（QoS）、移動性等等。媒體接入控制（MAC）層可以分配較長的信道占用時間給調(diào)質(zhì)速率較低的鏈路，來滿足吞吐量的限制；網(wǎng)絡層的路由協(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計的重點是找出關鍵層以及次要層，其中，關鍵層即需要重點考慮的一層，次要層是指忽略該層之后系統(tǒng)所產(chǎn)生的性能損失能夠達到最小的一層。目前，在多用戶MIMO方面已有相關的研究，例如，物理層結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)鏈路層QoS的影響；MIMO自組織網(wǎng)絡（Ad Hoc）中媒體接入控制（MAC）層和物理層（PHY）的跨層設計；多用戶MIMO系統(tǒng)的跨層調(diào)度等等。

4、相關應用

多用戶MIMO的典型應用就是多天線基站的無線通信，即多天線基站同時和多個移動臺進行通信。另外，向多個移動臺發(fā)送數(shù)據(jù)的多個蜂窩小區(qū)基站的協(xié)調(diào)也受到關注。

其實，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分析。比如，每個用戶存在線間串擾的DSL系統(tǒng)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(tǒng)中的多徑一樣，在這些情形下，如果在發(fā)射和接收端進行適當?shù)男盘柼幚�，串擾和衰落就能提供額外的分集度。

在多用戶MIMO技術優(yōu)勢的驅(qū)動下，不少公司也逐漸將其推向市場。例如，Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11無線網(wǎng)絡中發(fā)展了多天線技術。當與多個無線用戶通信時，這種多天線接入點具備多用戶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技術已逐漸向著商品化的方向邁進。2006年10月，北電網(wǎng)絡進行了業(yè)界首次利用虛擬MIMO技術的無線傳輸試驗。這一技術可以幫助移動運營商大幅度增加寬帶用戶。對于4G運營商來說，這一技術意味著同樣的投資可以換來更大的收入。2007年5月，諾基亞西門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（Virtual MIMO）的測試，大大提高手機數(shù)據(jù)傳輸速度，下一代無線高速LTE（長期演進）手機的數(shù)據(jù)上傳速度能夠達到108Mb/s。這些無疑都為運營商向4G移動通信技術演化提供了更加明確的途徑。

5、結(jié)束語

多入多出（MIMO）技術已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關鍵技術之一，考慮到實際系統(tǒng)往往是一個基站（BS）同時和多個移動臺（MS）進行通信的實際情況，多用戶MIMO更加貼近實際。作為多用戶MIMO技術中的特例，虛擬MIMO利用協(xié)作分集，更好地解決了終端的條件限制問題，為MIMO多天線技術走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑，使得MIMO技術大規(guī)模商用的可能性大大增加。