多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)下行傳輸技術(shù)研究

董 崢,趙 娜,王 森,陳念茹

(中國(guó)人民解放軍61081部隊(duì),北京100094)

0 引言

目前,關(guān)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)信號(hào)處理與空時(shí)編碼理論與方法的研究成果已日趨豐富。然而實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng)往往需要一個(gè)基站同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)進(jìn)行通信,因此多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)[1,2]的研究應(yīng)運(yùn)而生。由于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)具有時(shí)間、頻率、空間和用戶(hù)的多維自由度,并且下行傳輸數(shù)據(jù)量通常遠(yuǎn)大于上行數(shù)據(jù)量,因此下行各用戶(hù)之間的聯(lián)合處理,即優(yōu)化和整合這些自由度來(lái)獲得最大的系統(tǒng)容量是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的,從而多用戶(hù)MIMO下行傳輸技術(shù)的研究被認(rèn)為是解決未來(lái)無(wú)線通信發(fā)展瓶頸的有效途徑,成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

1 系統(tǒng)模型

在多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中,上行鏈路被稱(chēng)作MIMO多址接入信道,下行鏈路則為MIMO廣播信道。上行鏈路中,所有用戶(hù)工作在相同頻段上且向同一個(gè)基站發(fā)送信號(hào),基站可以針對(duì)不同的多址接入方式采用陣列處理,利用多用戶(hù)檢測(cè)等技術(shù)分離出各個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)。下行鏈路中,基站同時(shí)向通信中的移動(dòng)臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù),一個(gè)移動(dòng)臺(tái)對(duì)應(yīng)一個(gè)用戶(hù)。任何一個(gè)用戶(hù)接收的信號(hào)都包含基站發(fā)送給所有通信用戶(hù)的信號(hào),從而產(chǎn)生多用戶(hù)干擾。由于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)各用戶(hù)信道彼此獨(dú)立,除非用戶(hù)已知所有用戶(hù)的信道狀態(tài)信息,否則它不可能像點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO系統(tǒng)那樣,根據(jù)完整的信道矩陣分解出發(fā)送數(shù)據(jù)。實(shí)際上,多用戶(hù)之間很難協(xié)作,一個(gè)移動(dòng)臺(tái)若要獲得其他所有移動(dòng)臺(tái)的信道信息必須付出巨大代價(jià)。同時(shí),因?yàn)榛究梢垣@得移動(dòng)臺(tái)的信道信息,因此在信號(hào)發(fā)射前,通常由基站進(jìn)行預(yù)處理來(lái)消除多用戶(hù)干擾。下行鏈路的空分多址即為基站利用已知的信道信息經(jīng)過(guò)變換使多用戶(hù)間形成彼此獨(dú)立的等效空間信道來(lái)消除干擾,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同時(shí)向多個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信息。

在多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)研究中,通常假設(shè)發(fā)射機(jī)已知所有用戶(hù)的信道信息,在時(shí)分雙工系統(tǒng)中通過(guò)基站接收上行鏈路的訓(xùn)練或?qū)ьl序列獲得;在頻分雙工系統(tǒng)中可以智能地通過(guò)反饋獲得各個(gè)用戶(hù)信道信息。假定多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)共有K個(gè)用戶(hù),第k個(gè)用戶(hù)的天線數(shù)為NRk,基站有N_T根天線,通常把這種配置的多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)記為。H是由所有用戶(hù)的信道矩陣構(gòu)成的整體,用戶(hù)k的信道矩陣記為Hk。在某些實(shí)際系統(tǒng)中,移動(dòng)臺(tái)只能有一根天線,即單天線用戶(hù)的多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的示意圖如圖1所示。

圖1 多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)示意圖

2 系統(tǒng)下行傳輸技術(shù)

多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的下行傳輸技術(shù)主要分為基站完全已知信道狀態(tài)信息的線性預(yù)處理和非線性處理技術(shù),以及基站知道部分信道狀態(tài)信息的部分信息預(yù)編碼技術(shù),下面分別加以闡述。

2.1 線性預(yù)處理

通常基站按照某種準(zhǔn)則選擇調(diào)度將要通信的K個(gè)用戶(hù),然后將這些用戶(hù)的數(shù)據(jù)流dk經(jīng)過(guò)預(yù)處理發(fā)射出去,經(jīng)過(guò)調(diào)制矩陣M預(yù)處理,發(fā)送數(shù)據(jù)向量包含發(fā)送給所有通信用戶(hù)的數(shù)據(jù),這里的線性預(yù)處理也可以被認(rèn)為是波束成形。接收端移動(dòng)臺(tái)k則可以通過(guò)解調(diào)矩陣D對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行線性處理從而恢復(fù)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)。常見(jiàn)的線性預(yù)處理方法包括:信道逆處理[3](Channel Inversion)、塊對(duì)角化[4]以及收發(fā)聯(lián)合編碼等。

2.1.1 信道逆處理

不論用戶(hù)采用一根還是多根天線,一種顯而易見(jiàn)的消除多用戶(hù)間干擾的辦法就是信道逆處理。發(fā)射機(jī)進(jìn)行信道逆處理,就是令調(diào)制矩陣M為信道矩陣H的廣義逆矩陣,最終使信道完全對(duì)角化,每個(gè)用戶(hù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)或者一組等效單輸入單輸出信道,也被稱(chēng)為迫零預(yù)編碼,看作是迫零的波束成形方法。這樣一個(gè)用戶(hù)的每根天線就僅能接收到一個(gè)信號(hào)。接收機(jī)的接收處理過(guò)程非常簡(jiǎn)單,但通常要求發(fā)射天線數(shù)不小于所有通信用戶(hù)接收天線數(shù)之和。然而,信道逆處理過(guò)程即使已知信道信息,信道容量也不能隨天線數(shù)的增加而線性增長(zhǎng),而且在用戶(hù)的天線間相關(guān)性較大時(shí),系統(tǒng)的吞吐率會(huì)降低,因此信道逆處理不是最優(yōu)的,要么吞吐量減少,要么必須提高發(fā)射功率。類(lèi)似于最小均方誤差算法的規(guī)格化信道預(yù)逆處理則能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題,其預(yù)處理矩陣可以使接收的信號(hào)干擾噪聲比最大化。

2.1.2 塊對(duì)角化

塊對(duì)角化是多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)處理多天線用戶(hù)的一種常用方法。塊對(duì)角化預(yù)處理是尋找使得H?M為塊對(duì)角陣的調(diào)制矩陣M,從而形成多個(gè)獨(dú)立并行的等效單用戶(hù)MIMO信道,各個(gè)用戶(hù)之間的干擾為零。此時(shí),針對(duì)每個(gè)用戶(hù)仍然可以采用已有的單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的技術(shù),例如垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)結(jié)構(gòu)、最大似然檢測(cè)、收發(fā)聯(lián)合處理的奇異值分解等方法,同時(shí)針對(duì)各個(gè)用戶(hù)可以分別采用注水方法進(jìn)一步使系統(tǒng)容量最大化。盡管這種對(duì)角結(jié)構(gòu)未必是最優(yōu)方案,但最優(yōu)結(jié)果往往近似于對(duì)角結(jié)構(gòu)。一方面,等效的單用戶(hù)MIMO信道和傳統(tǒng)的單用戶(hù)MIMO信道具有相同的特性,增加基站發(fā)射天線數(shù)目會(huì)使所有用戶(hù)的等效MIMO信道的發(fā)射天線數(shù)目增加;另一方面,隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加,在保證單個(gè)用戶(hù)的信道容量情況下,系統(tǒng)所能容納的總用戶(hù)數(shù)也會(huì)增加。

在塊對(duì)角化中,為了完全抵消用戶(hù)間干擾,傳輸天線數(shù)需要大于系統(tǒng)內(nèi)接收天線數(shù)的總和,從而限制了同時(shí)傳輸?shù)挠脩?hù)數(shù)。因此,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)用戶(hù)數(shù)多時(shí),同樣存在多用戶(hù)調(diào)度的問(wèn)題。此外塊對(duì)角化方法還要求每用戶(hù)發(fā)送數(shù)據(jù)流等于其接收天線數(shù),這樣才可以更好地消除用戶(hù)間干擾問(wèn)題。

2.1.3 收發(fā)聯(lián)合編碼方法

收發(fā)端聯(lián)合編碼算法的基本思想是在總發(fā)射功率一定的約束下,優(yōu)化系統(tǒng)整體均方誤差,通過(guò)收發(fā)迭代得到發(fā)送矩陣和接收矩陣,即如果發(fā)射機(jī)已知所有接收機(jī)的最佳波束成形權(quán)向量,它就可以利用該信息在發(fā)射機(jī)進(jìn)行預(yù)處理,這樣就使得接收信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)波束成形后相當(dāng)于一個(gè)單天線信道,大大消除了各用戶(hù)之間的干擾,實(shí)驗(yàn)仿真表明該算法的性能優(yōu)于其他已有線性預(yù)編碼算法。

2.2 非線性處理技術(shù)——污紙編碼

污紙編碼[5](Dirty Paper Coding,DPC)是一種非線性處理技術(shù),基本思想是若發(fā)射機(jī)預(yù)先確知信道間的干擾,那么在發(fā)射時(shí)可以通過(guò)預(yù)編碼來(lái)補(bǔ)償干擾帶來(lái)的影響,信道容量與無(wú)干擾情況下相當(dāng)。如果把干擾看作紙上的污跡,而信號(hào)是墨水的話(huà),污紙編碼的目的不是去除污跡,而是根據(jù)污跡設(shè)計(jì)一種編碼來(lái)調(diào)整發(fā)射信號(hào),使得接收信號(hào)不含污跡。

在一個(gè)加性干擾系統(tǒng)中,當(dāng)發(fā)射機(jī)己知而接收機(jī)未知干擾信息時(shí),可采用DPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)等價(jià)于無(wú)干擾時(shí)的信道容量。在MIMO廣播系統(tǒng)中,當(dāng)發(fā)射機(jī)完全獲知信道狀態(tài)信息時(shí),應(yīng)用DPC原理可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)容量與發(fā)射天線數(shù)和總的接收天線數(shù)的最小值成正比,相對(duì)單用戶(hù)系統(tǒng)而言實(shí)現(xiàn)了多用戶(hù)復(fù)用增益。

但DPC實(shí)際應(yīng)用中還存在2個(gè)主要問(wèn)題:①DPC實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜;②發(fā)射機(jī)很難獲取完整的信道狀態(tài)信息。一些次優(yōu)的設(shè)計(jì)方案包括信道求逆、調(diào)整求逆、TH預(yù)編碼和向量擾動(dòng)預(yù)編碼,這4種技術(shù)分別與MIMO檢測(cè)中的迫零、最小均方誤差、迫零一串行干擾對(duì)消和最大似然等經(jīng)典技術(shù)互為對(duì)偶關(guān)系。與此相關(guān)的文獻(xiàn)已有許多,這里不再贅述。但是,如果欲取得與DPC相當(dāng)?shù)亩嘤脩?hù)復(fù)用增益,這些預(yù)處理技術(shù)一般仍要求發(fā)射機(jī)能完全獲取信道狀態(tài)信息。

2.3 部分信息預(yù)編碼技術(shù)

基于部分信息的預(yù)編碼研究最近才興起。由于反饋全部的預(yù)編碼信息會(huì)使反饋數(shù)量過(guò)于龐大,有時(shí)使系統(tǒng)難以承擔(dān)且無(wú)法實(shí)現(xiàn),因此接收端只反饋部分信息給發(fā)送方,叫做部分信息預(yù)編碼技術(shù)[6]。部分信息預(yù)編碼分兩大類(lèi):基于信道統(tǒng)計(jì)模型的預(yù)編碼和有限速率(碼本設(shè)計(jì))反饋的預(yù)編碼?；谛诺澜y(tǒng)計(jì)模型是一種非常普遍的模型,其反饋分基于均值的反饋和基于統(tǒng)計(jì)值的反饋2種。當(dāng)天線分離得很開(kāi),信道緩慢變化,并且接收端能準(zhǔn)確的估計(jì)信道時(shí)可以采用均值反饋,此時(shí)信道的方差正比于一個(gè)單位矩陣。

有限速率反饋模型是另一種非常普遍的模型,接收端僅反饋有限的比特給發(fā)送端。當(dāng)收發(fā)天線數(shù)量較多時(shí),反饋預(yù)編碼矩陣的所有信息則會(huì)顯得更不切實(shí)際,常用的解決方法是接收端只反饋有限的信息給接收端,如圖2所示。

圖2 有限速率反饋的MIMO系統(tǒng)

具體過(guò)程如下:當(dāng)通信發(fā)生時(shí),接收機(jī)首先根據(jù)當(dāng)前的瞬時(shí)信道信息,計(jì)算某優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)下的最優(yōu)預(yù)編碼矩陣;然后在收發(fā)雙方都具有的碼本集中,選擇與最優(yōu)預(yù)編碼矩陣最“接近”的碼本,將此碼本的序號(hào)反饋給發(fā)送方;最后發(fā)送方再根據(jù)此序號(hào),在碼本集中選擇對(duì)應(yīng)的碼本,進(jìn)行發(fā)送端的預(yù)處理,完成一次通信。其中,碼本設(shè)計(jì)需要解決2個(gè)問(wèn)題:①如何量化信道空間,即設(shè)計(jì)碼本集的問(wèn)題;②接收方如何根據(jù)“接近”原則。二者本質(zhì)上相輔相成:設(shè)計(jì)了碼本集,接收端才能根據(jù)“接近”原則,選擇當(dāng)前需要反饋的碼本;反之,正是有了“接近”原則,才能設(shè)計(jì)出最優(yōu)的碼本集。本質(zhì)上,碼本設(shè)計(jì)是矢量量化問(wèn)題,從矢量量化角度解決上述問(wèn)題,關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)出合適的量化標(biāo)準(zhǔn)。與基于完全信息的預(yù)編碼設(shè)計(jì)一樣,基于部分信息的預(yù)編碼設(shè)計(jì)的量化標(biāo)準(zhǔn)主要分容量標(biāo)準(zhǔn)和BER標(biāo)準(zhǔn)兩大類(lèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

縱觀MIMO技術(shù)的發(fā)展,雖然多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的研究晚于單用戶(hù)MIMO系統(tǒng),但鑒于實(shí)際無(wú)線通信系統(tǒng)中各用戶(hù)共享同一系統(tǒng)帶寬,因此多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)得到了廣泛的關(guān)注,尤其是下行鏈路的各種傳輸技術(shù)更被認(rèn)為是解決無(wú)線通信傳輸瓶頸的有效途徑。在這一研究背景下,依據(jù)發(fā)射和接收信號(hào)處理的特點(diǎn),深入分析和總結(jié)了多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的各種下行傳輸技術(shù),即線性預(yù)處理技術(shù)和非線性處理技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn),分析比較得出基于部分信道信息的信息量化、有限速率反饋等將是未來(lái)多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)下行傳輸技術(shù)的主要研究方向。

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