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多輸入多輸出(MIMO)是未來(lái)有望實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據系統所需高速數據速率的技術(shù)之一。多數據流可通過(guò) MIMO進(jìn)行傳輸，從而增加了系統的吞吐量。目前，大多數3G和4G無(wú)線(xiàn)標準如WiMAX、TD-SCDMA和LTE等都采用了MIMO。 傳統方法中，接收機(Rx)和發(fā)射機(Tx)不會(huì )進(jìn)行往復通信。Rx需單獨計算出信道信息，解碼數據流。這給Rx造成了沉重而復雜的負擔，也使系統無(wú)法完全利用信道的分集或容量。這些系統被稱(chēng)為開(kāi)環(huán)系統。 最新的無(wú)線(xiàn)標準是在手機和基站(BTS)之間分配一個(gè)有限的反饋信道。這一信道有多種用途，特別是將信道的重要信息發(fā)送回BTS。該信息可實(shí)現簡(jiǎn)單的空間分集和復用技術(shù)，后者增加了系統的有效信噪比(SNR)，并潛在性地簡(jiǎn)化了Rx架構。這些系統稱(chēng)作閉環(huán)系統。 學(xué)術(shù)文獻對理論限制進(jìn)行了大量研究，卻很少涉及電路實(shí)現復雜性方面的內容。本文將講述MIMO開(kāi)環(huán)和閉環(huán)技術(shù)如何在復雜度和性能之間進(jìn)行權衡，并提供實(shí)際系統的經(jīng)驗法則。 1 開(kāi)環(huán)MIMO 對于單發(fā)射天線(xiàn)或SIMO系統，Rx利用MRC技術(shù)整合來(lái)自多個(gè)接收天線(xiàn)的數據流，以實(shí)現分集增益。而多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的信道更復雜，兩個(gè)不同的傳輸流間會(huì )出現干擾。如果Tx沒(méi)有信道信息，Rx單獨使用MIMO容量，這通常需要非常復雜的算法。 1.1 空間復用 空間復用是一種非常著(zhù)名的開(kāi)環(huán)MIMO技術(shù)，廣泛應用于無(wú)線(xiàn)系統。每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)送出不同的數據流。 圖1：2x2 空間復用系統。 圖1是一個(gè)2x2的空間復用系統，可以建模為： (1) 其中x代表發(fā)射信號向量，H代表信道矩陣，n代表增加的噪聲向量，y代表接收信號向量。為了根據接收信號y評估發(fā)射信號x，直接的方法就是用迫零(zero forcing)或MMSE等逆信道矩陣乘以y。然而，這并非最佳檢測方法。 最理想的檢測方法可利用最大似然法(ML)準則。在大多數情況下，發(fā)射信號向量最大限度縮短了與接收信號向量y相關(guān)的歐幾里得距離，因此，可以通過(guò)尋找發(fā)射信號向量來(lái)執行最大似然法。 (2) 可惜，計算的復雜性也隨著(zhù)發(fā)射天線(xiàn)和可能的星座點(diǎn)的數量呈指數增加，這使最大似然法無(wú)法適于實(shí)際用途。 球形解碼(sphere decoding)雖然不是最理想的ML解決方案，卻是一種廣泛使用的方法。球形解碼算法的原理，是在球半徑內搜索離接收信號最近的格點(diǎn)。在球半徑內，格點(diǎn)場(chǎng)的每個(gè)格點(diǎn)都代表一個(gè)碼字。球形解碼顯著(zhù)降低了檢測的復雜性，其性能可與ML檢測方法相匹敵。 然而，盡管球形解碼算法已經(jīng)降低了復雜性，卻不適于實(shí)施大量天線(xiàn)和64QAM等高調制率。 1.2 空時(shí)碼 另一個(gè)廣泛采用的開(kāi)環(huán)MIMO是空時(shí)碼。利用空時(shí)碼，一個(gè)數據流可以用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)傳輸，但是信號編碼利用多個(gè)天線(xiàn)中的獨立衰落，以實(shí)現空間分集。 圖2：典型的Alamouti碼 目前，最受歡迎的空時(shí)碼是Alamouti碼，已被許多無(wú)線(xiàn)標準采用。圖2為典型Alamouti碼，其數學(xué)方程式表述如下： (3) 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》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。 2 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 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)》 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)。 3 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)。 |
