無線通信中空分復(fù)用技術(shù)的研究現(xiàn)狀

康瑞琪+張記瑞+蔣天宇+朱國慶

摘要：空分復(fù)用技術(shù)可以極大地提高頻譜利用率，已經(jīng)成為國內(nèi)外無線通信領(lǐng)域的研究熱點，文章討論了空分復(fù)用技術(shù)的系統(tǒng)構(gòu)成，對比了當(dāng)前空分復(fù)用系統(tǒng)各模塊關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)缺點，總結(jié)了大規(guī)模MIM0技術(shù)以及廣義空間索引調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢，分析了空分復(fù)用技術(shù)下一步發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：空分復(fù)用；索引調(diào)制；大規(guī)模MIMO

隨著移動多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展，人們對無線通信傳輸速率需求不斷增長與無線頻譜日益匱乏之間的矛盾愈發(fā)突出?？辗謴?fù)用技術(shù)通過在收發(fā)兩端采用多天線并行傳輸數(shù)據(jù)，極大地提高了頻譜利用率。近年來，在空分復(fù)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上，空間調(diào)制技術(shù)可以在不改變收發(fā)端天線數(shù)的情況下進一步提高傳輸速率，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通過大幅增加一端或兩端天線數(shù)并將原有2D信道擴展為3D信道從而大幅提高傳輸速率。本文將在簡要介紹空分復(fù)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點分析大規(guī)模MIMO系統(tǒng)和空間調(diào)制技術(shù)及其下一步發(fā)展趨勢。

1空分復(fù)用系統(tǒng)

空分復(fù)用系統(tǒng)模型如圖1所示，發(fā)送端將數(shù)據(jù)流調(diào)制后進行串并變換為N₁路并行子數(shù)據(jù)流并經(jīng)過空時編碼后經(jīng)N₁根發(fā)射天線并行發(fā)送信號，接收端對Ⅳ，根接收天線信號進行空時解碼、并串轉(zhuǎn)換以及解調(diào)后還原發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)上述模型，空分復(fù)用系統(tǒng)主要包括預(yù)編碼技術(shù)、信道估計技術(shù)、信號檢測技術(shù)3個部。

1.1預(yù)編碼技術(shù)

發(fā)送端根據(jù)信道狀態(tài)信息，對MIMO發(fā)送信號進行預(yù)編碼處理，消除信道衰落及天線間干擾等不利影響，從而提高系統(tǒng)容量和傳輸質(zhì)量并簡化接收端檢測算法。根據(jù)處理方式的不同，可以將預(yù)編碼處理分為線性和非線性預(yù)編碼2種，根據(jù)信道狀態(tài)信息獲得方式的不同，可以將預(yù)編碼分為基于碼本的預(yù)編碼以及非碼本的預(yù)編碼。另外，在多用戶MIMO技術(shù)中，接收端為多個具有多天線或者單天線的用戶，用戶無法區(qū)分自身信號與其他用戶信號，造成共信道干擾（Co-Channel Interference，CCI），將嚴(yán)重影響各用戶通信質(zhì)量和速率，而預(yù)編碼技術(shù)對發(fā)射信號預(yù)處理也可以作為消除或者降低用戶間的共信道干擾的有效途徑。

1.2信道估計技術(shù)

在空分復(fù)用系統(tǒng)中，接收端每副接收天線接收到的信號都是發(fā)送端發(fā)射信號經(jīng)過信道干擾傳輸后的疊加。為了在接收端正確檢測出發(fā)送的數(shù)據(jù)流并在發(fā)送端進行合適的預(yù)編碼處理，必須對信道特性進行估計。因此，接收端對MIMO信道的估計是信號檢測以及預(yù)編碼的基礎(chǔ)，而信道估計的準(zhǔn)確度也與系統(tǒng)整體性能密切相關(guān)。目前，信道估計技術(shù)可以分為基于導(dǎo)頻的信道估計算法、基于信道判決反饋信道估計方法和盲信道估計算法3類。

（1）基于導(dǎo)頻的信道估計算法也是最為常見的一種信道估計算法，其在發(fā)送端發(fā)送一組收發(fā)兩端均已知的導(dǎo)頻序列，利用接收端實際接收結(jié)果與導(dǎo)頻序列對比后估計信道特性。這種算法對信道估計準(zhǔn)確，但額外占用傳輸資源，降低系統(tǒng)的有效性。

（2）基于信道判決反饋信道估計方法在利用導(dǎo)頻序列估計出當(dāng)前信道狀態(tài)信息后，利用傳輸數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果對信道特性進行估計。這種算法開銷小，但對傳輸過程中錯誤檢測敏感度很高。

（3）盲信道估計依靠先驗約束條件根據(jù)統(tǒng)計特性對信道進行估計。這種算法無需開銷，但運算復(fù)雜度高而且只適用于慢衰落信道。

1.3信號檢測技術(shù)

信號檢測技術(shù)是空分復(fù)用技術(shù)的核心，接收端必須在相互干擾的信號中正確檢測出各發(fā)射天線數(shù)據(jù)，其檢測結(jié)果將直接影響整個空間復(fù)用系統(tǒng)的性能，檢測算法的性能主要體現(xiàn)在誤碼率和運算復(fù)雜度上。目前空間信道復(fù)用的檢測算法大致可以分為：最大似然（Maximum Likelihood，ML）檢測算法、線性檢測算法、連續(xù)干擾消除（Successive InterferenceCancellation，SIC）檢測算法和球形檢測算法。

（1）ML檢測算法。ML檢測算法依據(jù)最大似然準(zhǔn)則，遍歷所有可能發(fā)送信號進行判決，選出最優(yōu)點作為發(fā)送信號的估計值。由于檢測過程遍歷所有可能情況，一方面使其BER性能最優(yōu)，另一方面使其運算復(fù)雜度隨發(fā)射天線和調(diào)制階數(shù)呈指數(shù)增長，為O（S^M）。

（2）線性檢測算法。線性檢測算法通過在接收端添加一個線性濾波器對接收到的混疊信號進行分離檢測。由于線性處理過程中，各天線信號存在干擾，使得BER出能較差，但線性處理只進行了矩陣的求逆與乘法，運算復(fù)雜度低，為O（M³）。

（3）SIC檢測算法。SIC檢測算法逐層檢測各發(fā)射天線信號，在下一根天線信號檢測前，去除己檢測天線信號對總接收信號的干擾，從而整體上降低各天線間干擾的影響。因此SIC檢測算法BER性能優(yōu)于線性檢測算法，但其每次計算都需要進行排序，使得運算復(fù)雜度略高于線性檢測算法，為D（M³）～D（M⁴）。

（4）SD檢測算法。SD檢測算法檢測以接收向量為中心規(guī)定半徑的球形內(nèi)格點，并不斷減小搜索半徑從而獲得最小半徑的估計值。由于檢測結(jié)果與ML檢測結(jié)果基本一致，其BER性能十分接近ML算法，而且檢測過程避免了繁瑣的遍歷性搜索，運算復(fù)雜度較ML算法低但比SIC檢測算法高。另外，隨著SNR增加，各格點平均距離降低，檢索次數(shù)變大，使得SD檢測算法運算復(fù)雜度隨著SNR增加而增加。

在上述空分復(fù)用系統(tǒng)基礎(chǔ)上，空分復(fù)用系統(tǒng)還出現(xiàn)了多用戶MIMO技術(shù)、大規(guī)模MIMO技術(shù)、空間索引調(diào)制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，從而進一步提高系統(tǒng)傳輸速率。

2大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)采用大規(guī)模天線陣（數(shù)百根發(fā)送天線）同時同頻服務(wù)不同用戶的技術(shù)，從而將發(fā)射信號能量集中在更小區(qū)域以獲得更高的性能。與傳統(tǒng)的空分復(fù)用系統(tǒng)相比，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理類似，但其將傳統(tǒng)的多天線發(fā)射及對應(yīng)的2D信道模型擴展為天線陣列及3D信道模型。與傳統(tǒng)的波束形成相比，其大幅增加發(fā)送天線的同時，將各天線幅度與相位的加權(quán)簡化為單純的相位加權(quán)。結(jié)合波束形成、空分復(fù)用、天線陣等技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以獲得大幅提升信道容量及能量傳輸效率、價格低廉等優(yōu)勢：

（1）極大地提升信道容量及能量傳輸效率。大規(guī)模天線陣將原有波束形成中只能水平選擇發(fā)射角度的2D信道擴展為水平垂直的3D信道，使得發(fā)送功率集中在更小的目的區(qū)域，從而提升目的區(qū)域的接收信號能量并降低對其他區(qū)域用戶的干擾。

（2）價格低廉。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)以數(shù)百根廉價的低功率天線代替原有天線，總發(fā)射功率相同的情況下，避免了傳統(tǒng)的天線系統(tǒng)中昂貴的非線性高功率放大器以及相應(yīng)的同軸電纜等昂貴且笨重的物品。

（3）降低空中接口的延遲。傳統(tǒng)空分復(fù)用系統(tǒng)需要依靠較強的多徑環(huán)境并對多徑進行處理，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中與多徑時延相關(guān)的延遲。大規(guī)模MIMO技術(shù)中的波束形成，不要求多徑環(huán)境以及對多徑延遲的處理，從而不受多徑延遲的限制。

（4）簡化多址接入。大規(guī)模MIMO技術(shù)中每個用戶均利用整個帶寬，無需帶寬調(diào)度，從而簡化了大多數(shù)的物理層控制信號冗余，進而降低系統(tǒng)開銷，提高資源利用率。

（5）降低空中干擾并提高安全性。大規(guī)模MIMO技術(shù)中發(fā)射天線提供了很多多余的自由度，可以用來取消故意干擾器的信號。由于發(fā)送信號目的區(qū)域更小并且其他區(qū)域接收功率更低，降低了其他區(qū)域竊聽信號的風(fēng)險。

但是，大規(guī)模MIMO技術(shù)也存在諸多問題，其中導(dǎo)頻污染問題尤為突出。導(dǎo)頻污染是指小區(qū)內(nèi)或相鄰小區(qū)共用導(dǎo)頻序列而導(dǎo)致的鏈路干擾問題現(xiàn)象。一般情況下，為避免干擾各用戶需分配一個正交上行導(dǎo)頻序列，但是導(dǎo)頻序列的數(shù)量受限于相干時間與信道延遲擴展，當(dāng)用戶數(shù)量過大，就會發(fā)生相鄰小區(qū)甚至小區(qū)內(nèi)用戶共用一個導(dǎo)頻序列的情況，從而影響信道估計的下行波束形成，進一步影響系統(tǒng)性能。文獻指出，相比于經(jīng)典的MIMO系統(tǒng)，導(dǎo)頻污染對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)影響更大，而隨著收發(fā)天線數(shù)增長，導(dǎo)頻污染成為限制系統(tǒng)性能上限的主要因素。

3廣義空間索引調(diào)制

廣義空間索引調(diào)制將索引調(diào)制應(yīng)用于多天線系統(tǒng)，從而進一步提高空分復(fù)用系統(tǒng)傳輸速率。與傳統(tǒng)所有天線均發(fā)送調(diào)制信號不同，廣義空間索引調(diào)制中待發(fā)送數(shù)據(jù)分為2個部分，一部分用以調(diào)制所有天線中實際發(fā)送調(diào)制信號的天線個數(shù)與序號，另一部分再對實際工作天線發(fā)送的信號進行調(diào)制。空間索引調(diào)制技術(shù)的核心可以從3個方面概括：

（1）快速的本地計算可映射海量的外存空間信息數(shù)據(jù)。通過索引調(diào)制的引入，映射域從原有的單純依靠天線數(shù)的線性疊加變?yōu)樗饕驅(qū)Χ噙M制調(diào)制域維數(shù)的擴展，使得映射域呈指數(shù)的擴展，對應(yīng)外存空間信息數(shù)據(jù)更為龐大。

（2）對復(fù)雜的空間目標(biāo)對象進行逐步分割，使得查詢路徑不需要遍歷整個信息。索引調(diào)制對多進制調(diào)制域進行索引域的多維擴展后形成新的多進制索引空間，其編碼基本原理就是將空間分割為若干查詢區(qū)域，每個區(qū)域存儲多個索引項。解碼過程分為確定查詢區(qū)域和區(qū)域內(nèi)索引項2步，即可快速獲得編碼數(shù)據(jù)，無需遍歷整個索引空間。

（3）采用合適的空間分割方法。為降低不同查詢區(qū)域間的相關(guān)性，提升同一查詢區(qū)域的相關(guān)性，需要采用合適的空間分割方法，從而在提升解碼BER性能的同時，使得索引、查詢更加快捷高效。

廣義空間索引調(diào)制只是從空域進行了索引調(diào)制，而一般的多天線系統(tǒng)中，通常會采用OFDM調(diào)制用以克服頻率選擇性衰落，這使得將索引調(diào)制引入頻域成為可能。GSFIM（Generalized Space and Frequency Index Modulation，廣義的空頻索引調(diào)制）就是從空間、頻率域分別進行索引調(diào)制，從而將待發(fā)信息映射為空間索引、頻率索引以及傳統(tǒng)的多進制調(diào)制3個部分，對應(yīng)MIMO-OFDM系統(tǒng)可以實現(xiàn)相比于傳統(tǒng)空分復(fù)用更高的傳輸速率。

4結(jié)語

本文在總結(jié)近年來國內(nèi)外對空分復(fù)用技術(shù)最新成果后，重點分析了大規(guī)模MIMO技術(shù)以及廣義空間索引調(diào)制2種新型技術(shù)的特點與優(yōu)勢?？辗謴?fù)用技術(shù)因其具有快速提高傳輸速率的優(yōu)勢一直是國內(nèi)外研究的焦點，并己取得很多成果。目前，以下幾個方面有待進一步研究：

（1）將索引調(diào)制擴展至空間、時間、頻率域。目前，廣義空頻索引調(diào)制只是從空域和頻域2個方面進行了索引調(diào)制，而時隙的存在使得時域內(nèi)的索引調(diào)制可以輕易實現(xiàn)，但是將索引調(diào)制用于時域還需注意2個問題：一是與空域和頻域的有限性不同，時隙可以無限擴展。時域的索引需要在一個合適數(shù)量的時隙數(shù)進行，如何確定時隙數(shù)將成為以后研究的重點。二是索引調(diào)制中容易出現(xiàn)傳輸信號連續(xù)為零的現(xiàn)象，這將給同步精度帶來突出影響，此時可以借鑒編碼中的HDB3編碼進行，但仍需進一步研究。

（2）提升多天線系統(tǒng)的抗相關(guān)衰落特性。多天線系統(tǒng)中要求各天線間衰落相互獨立，但在實際的通信中，由于所在環(huán)境散射不夠、移動端天線距離過近等原因，使得各天線間衰落存在相關(guān)性，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的信道容量和傳輸質(zhì)量。目前，現(xiàn)有的抗相關(guān)衰落特性的方式主要采用預(yù)編碼等信號處理技術(shù)或設(shè)計不同的天線陣，但并未完全消除相關(guān)衰落對系統(tǒng)性能的影響。

（3）GSIM中分集增益與復(fù)用增益的優(yōu)化折中?，F(xiàn)有對于分集與復(fù)用折中的研究只在傳統(tǒng)的多進制調(diào)制下的MIMO系統(tǒng)中進行，但GSIM采用索引調(diào)制和多進制調(diào)制相結(jié)合的方式進行，對應(yīng)分級增益與復(fù)用增益的折中更為復(fù)雜，需要進一步的研究。