MIMO技術(shù)及其在TD-SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用

1．介紹
隨著無線通信系統(tǒng)的充分發(fā)展，語音業(yè)務(wù)已經(jīng)不能夠滿足人們對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求。提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽、多媒體數(shù)據(jù)傳輸以及其他類型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是發(fā)展無線通信系統(tǒng)和服務(wù)的一個(gè)重要目的。特別是，基于碼分多址的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。雖然已經(jīng)提出多種利用現(xiàn)有無線資源（諸如碼道、時(shí)隙、頻率等）提高數(shù)據(jù)傳輸速率的建議，但是其只不過是以語音容量換取數(shù)據(jù)容量的方法。隨著MIMO的技術(shù)的出現(xiàn)，一種利用多個(gè)發(fā)射天線、多個(gè)接收天線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)被提出，并成為未來無線通信技術(shù)發(fā)展的一種趨勢(shì)。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST結(jié)構(gòu)是典型的利用MIMO技術(shù)進(jìn)行空間多路復(fù)用的技術(shù)。已經(jīng)證明，具有M個(gè)發(fā)射天線以及P個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)，在P≥M的情況下幾乎可以使得信道容量提高到原來的M倍。

傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)均是非擴(kuò)頻的系統(tǒng)，而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是基于CDMA技術(shù)的擴(kuò)頻系統(tǒng)。可以采用碼復(fù)用（Code-Reuse）方式把MIMO技術(shù)與CDMA系統(tǒng)結(jié)合起來，從而有效地提高其高速下行分組接入（HSDPA）的總體數(shù)據(jù)速率。同樣，TD-SCDMA系統(tǒng)也可以采用碼復(fù)用的方式來應(yīng)用MIMO技術(shù)，本文給出了一種TD-SCDMA系統(tǒng)的MIMO技術(shù)解決方案。這樣，TD-SCDMA系統(tǒng)將既可以應(yīng)用智能天線技術(shù)，也可以應(yīng)用MIMO天線技術(shù)，本文將初步分析應(yīng)用MIMO技術(shù)之后對(duì)智能天線技術(shù)的影響。

2．MIMO技術(shù)概述

MIMO技術(shù)大致可以分為兩類：發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號(hào)通過不同的路徑被發(fā)送出去，在接收機(jī)端可以獲得數(shù)據(jù)符號(hào)多個(gè)獨(dú)立衰落的復(fù)制品，從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說，在慢瑞利衰落信道中，使用1根發(fā)射天線n根接收天線，發(fā)送信號(hào)通過n個(gè)不同的路徑。如果各個(gè)天線之間的衰落是獨(dú)立的，可以獲得最大的分集增益為n，平均誤差概率可以減小到 ，單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對(duì)于發(fā)射分集技術(shù)來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個(gè)具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中，如果天線對(duì)之間的路徑增益是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。

智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，形成指向某些用戶的賦形波束，從而有效的提高天線增益，降低用戶間的干擾。廣義上來說，智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。
分集技術(shù)主要用來對(duì)抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度（degrees of freedom）。從本質(zhì)上來講，如果每對(duì)發(fā)送接收天線之間的衰落是獨(dú)立的，那么可以產(chǎn)生多個(gè)并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率，這被成為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下，傳輸速率是自由度受限的，此時(shí)對(duì)于m根發(fā)射天線n根接收天線，并且天線對(duì)之間是獨(dú)立均勻分布的瑞利衰落的，信道容量為：

其中 即為自由度。

根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Gerard J. Foschini提出。原始數(shù)據(jù)被分為若干子流，每個(gè)子流之間分別進(jìn)行編碼，但子流之間不共享信息比特，每一個(gè)子流與一根天線相對(duì)應(yīng)，但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時(shí)間與空間上均呈對(duì)角線形狀，稱為D-BLAST（Diagonally- BLAST）。D-BLAST的好處是，使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過不同的路徑發(fā)送到接收機(jī)端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點(diǎn)是，由于符號(hào)在空間與時(shí)間上呈對(duì)角線形狀，使得一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)，或者增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如圖1.b所示，在數(shù)據(jù)發(fā)送開始時(shí)，有一部分空時(shí)單元未被填入符號(hào)（對(duì)應(yīng)圖中右下角空白部分），為了保證D-BLAST的空時(shí)結(jié)構(gòu)，在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時(shí)單元被浪費(fèi)。如果采用burst模式的數(shù)字通信，并且一個(gè)burst的長(zhǎng)度大于M（發(fā)送天線數(shù)目）個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 ，那么burst的長(zhǎng)度越小，這種浪費(fèi)越嚴(yán)重。它的數(shù)據(jù)檢測(cè)需要一層一層的進(jìn)行，如圖1.b所示：先檢測(cè)c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接著b0、b1和b2……

另外一種簡(jiǎn)化了的BLAST結(jié)構(gòu)同樣最先由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出。它采用一種直接的天線與層的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即編碼后的第k個(gè)子流直接送到第k根天線，不進(jìn)行數(shù)據(jù)流與天線之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的周期改變。如圖1.c所示，它的數(shù)據(jù)流在時(shí)間與空間上為連續(xù)的垂直列向量，稱為V-BLAST（Vertical-BLAST）。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只是簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此在檢測(cè)過程中，只要知道數(shù)據(jù)來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù)，檢測(cè)過程簡(jiǎn)單。

本文引用地址：http://2s4d.com/article/201706/357761.htm
考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點(diǎn)，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時(shí)編碼結(jié)構(gòu)被提出：T-BLAST。等文獻(xiàn)分別提及這種結(jié)構(gòu)。它的層在空間與時(shí)間上呈螺紋（Threaded）狀分布，如圖2所示。原始數(shù)據(jù)流被多路分解為若干子流之后，每個(gè)子流被對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去，并且這種對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變，與D-BLAST系統(tǒng)不同的是，在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線進(jìn)行發(fā)送，而是所有天線均進(jìn)行發(fā)送，使得單從一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔 來看，它的空時(shí)分布很像V-BALST，只不過在不同的時(shí)間間隔中，子數(shù)據(jù)流與天線的對(duì)應(yīng)關(guān)系周期性改變。更普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不是周期性改變，而是隨機(jī)改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒有空時(shí)單元的浪費(fèi)，并且可以使用V-BLAST檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。

3．碼復(fù)用方式

隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，以及HSDPA對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。MIMO技術(shù)與CDMA系統(tǒng)結(jié)合的碼復(fù)用（Code-reuse）方式被提出。所謂碼復(fù)用方式是指通過多根天線上發(fā)送出去的不同數(shù)據(jù)層，采用的擴(kuò)頻碼相同。這樣每一層中多個(gè)CDMA碼道上的數(shù)據(jù)可以依靠它們采用的不同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行區(qū)分，共享同一個(gè)擴(kuò)頻碼的不同層中的數(shù)據(jù)可以依靠它們經(jīng)歷的不同的空間信道的特性進(jìn)行區(qū)分。碼復(fù)用方式又可以進(jìn)一步擴(kuò)展為同碼傳輸方式和異碼傳輸方式。其中擴(kuò)頻碼是信道化碼和擾碼的乘積，如果不同層上的數(shù)據(jù)采用的信道化碼和擾碼均相同，稱為同碼傳輸方式；如果不同層上的數(shù)據(jù)采用的信道化碼不同或者擾碼不同，稱為異碼傳輸方式。在碼字資源較為豐富時(shí)，可以采用異碼傳輸方式提高系統(tǒng)的整體性能。

一個(gè)典型的應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)的碼復(fù)用方式發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)圖如下所示。

高速率數(shù)據(jù)流被多路分解為MN個(gè)子數(shù)據(jù)流，M組子數(shù)據(jù)流中的第n個(gè)子流使用第n個(gè)擴(kuò)譜碼
（ ）。第m個(gè)子數(shù)據(jù)流（ ）通過第m根天線發(fā)送出去，這樣共享同一個(gè)擴(kuò)譜碼的子數(shù)據(jù)流通過不同的天線被發(fā)送出去。

所有M個(gè)共享同一個(gè)碼的子數(shù)據(jù)流，可以在接收端通過它的空間特性以及多天線接收和空間信號(hào)處理技術(shù)被區(qū)分出來。信道估計(jì)可以通過M個(gè)正交的下行導(dǎo)頻序列得到。共享同一個(gè)碼的M個(gè)子數(shù)據(jù)流之間會(huì)產(chǎn)生空間多址干擾（MAI）。在平坦衰落信道中，使用不同的碼的子數(shù)據(jù)流之間不會(huì)彼此影響，因?yàn)榇a與碼之間是正交的，對(duì)于每一組使用相同的碼的子數(shù)據(jù)流，可以使用多用戶檢測(cè)消除MAI的影響。比如最大似然（ML）檢測(cè)器和V-BLAST檢測(cè)器。因?yàn)樽畲笏迫粰z測(cè)器的復(fù)雜度與M呈指數(shù)關(guān)系，V-BLAST檢測(cè)器是一個(gè)次優(yōu)和低復(fù)雜度的選擇。V-BLAST檢測(cè)器包括兩部分：線性變換和有序的連續(xù)干擾消除。線性變換可以使用迫零（ZF）準(zhǔn)則或者最小均方誤差（MMSE）準(zhǔn)則消除MAI。線性變換之后具有最大SINR的編碼符號(hào)被檢測(cè)出來，并且把它從所有接收信號(hào)中減去。對(duì)于修訂后的接收信號(hào)向量，繼續(xù)使用線性變換和有序的連續(xù)干擾消除方法，進(jìn)行信號(hào)提取，直到所有的子數(shù)據(jù)流被檢測(cè)出來。最后MN個(gè)子數(shù)據(jù)流被多路合成為一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流，然后進(jìn)行逆映射，解交織和解碼。

4．MIMO技術(shù)與TD-SCDMA系統(tǒng)的結(jié)合

利用碼道、時(shí)隙等無線資源的分配雖然可以達(dá)到提高傳輸速率的目的，但是它只是對(duì)現(xiàn)有資源的再分配，并沒有增加額外的資源可供利用，所以其傳輸速率的提高是有限的。尤其是對(duì)于以高的頻率效率著稱的TD-SCDMA系統(tǒng)來說，由于其采用智能天線技術(shù)，基本上對(duì)于現(xiàn)有無線資源的利用已經(jīng)很充分。因此為了大幅度的提高系統(tǒng)的傳輸速率，采用MIMO技術(shù)成為一種較好的選擇。

TD-SCDMA系統(tǒng)同樣采用碼復(fù)用方式與MIMO技術(shù)進(jìn)行結(jié)合。假設(shè)發(fā)射天線數(shù)目為M，接收天線數(shù)目為P。一個(gè)時(shí)隙中的用戶數(shù)據(jù) 首先按照天線個(gè)數(shù)被分解為L(zhǎng)個(gè)子數(shù)據(jù)流，每一個(gè)子流被稱為一層數(shù)據(jù)。這一層的全部數(shù)據(jù)均通過一根相應(yīng)的發(fā)射天線發(fā)送出去，在發(fā)送之前，每一層數(shù)據(jù)再次被分為C組，并被分配到C個(gè)CDMA碼道上。然后，每個(gè)碼道上的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行編碼、擴(kuò)頻、調(diào)制和加擾，并加入訓(xùn)練序列形成突發(fā)結(jié)構(gòu)。最后，每一層數(shù)據(jù)中的C個(gè)碼道進(jìn)行合并得到一層的發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過相對(duì)應(yīng)的天線發(fā)送出去。當(dāng)發(fā)送天線數(shù)目大于發(fā)送層的數(shù)目時(shí)，可以激活天線加權(quán)單元，從而通過加權(quán)處理使得層數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的天線發(fā)送出去。如下圖所示。

不同層上的數(shù)據(jù)可以使用相同擴(kuò)頻碼傳輸或者不同擴(kuò)頻碼傳輸。擴(kuò)頻碼由信道化碼和擾碼共同構(gòu)成，其中同碼傳輸指不同的層上使用相同的信道化碼和相同的擾碼，異碼傳輸包含多種情況，可以是信道化碼不同但擾碼相同，也可以是信道化碼相同但擾碼不同，或者它們的組合。其中約定，不同層上的數(shù)據(jù)采用相同的擴(kuò)頻系數(shù)Q，擴(kuò)頻系數(shù)可以從1、2、4、8、16中選擇，并且不同層上分配的碼道數(shù)目相同。為了在接收機(jī)端獲得來自不同發(fā)射天線的信道沖激響應(yīng)，每層需要分配不同的訓(xùn)練序列，即同一層的所有數(shù)據(jù)不論其來自哪一個(gè)用戶、占用哪一個(gè)碼道均使用同一個(gè)訓(xùn)練序列進(jìn)行發(fā)送。不同層使用的訓(xùn)練序列由同一個(gè)基本訓(xùn)練序列通過偏移產(chǎn)生。

TD-SCDMA系統(tǒng)中訓(xùn)練序列的主要作用是進(jìn)行信道估計(jì)，在非MIMO的TD-SCDMA系統(tǒng)中，還可以通過訓(xùn)練序列附帶額外的信息，使得在終端進(jìn)行接收時(shí)，通過訓(xùn)練序列偏移值相關(guān)信息，獲得其他用戶的信道化碼信息，從而進(jìn)行多用戶檢測(cè)。它有通用（common）和缺省（default）兩種方式，其中通用方式是指在基站下行發(fā)送時(shí)，所有碼道使用相同的訓(xùn)練序列，并用該訓(xùn)練序列與基本訓(xùn)練序列之間的偏移值告知終端有多少信道化碼在使用中；缺省方式是建立一種訓(xùn)練序列偏移值與信道化碼之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)碼道使用不同偏移值的訓(xùn)練序列，終端在進(jìn)行信道估計(jì)之后，通過這種對(duì)應(yīng)關(guān)系獲得所有用戶的信道化碼。

那么在支持MIMO之后，原來兩種分配方式勢(shì)必要改變，這是因?yàn)橛?xùn)練序列必須與發(fā)射天線（層）相對(duì)應(yīng)，而且訓(xùn)練序列還需附帶層的序號(hào)信息，即告知接收機(jī)當(dāng)前被檢測(cè)層在發(fā)射機(jī)端處于所有層中的位置，以便多路合并時(shí)能夠正確恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。除此之外，接收機(jī)還需要知道擾碼信息和信道化碼信息，以便進(jìn)行多用戶的檢測(cè)。因此，對(duì)于應(yīng)用MIMO技術(shù)的TD-SCDMA系統(tǒng)來說，其訓(xùn)練序列除了信道估計(jì)的作用之外，應(yīng)該還具有如下三方面的作用：攜帶層序號(hào)信息；攜帶擾碼分配信息；攜帶信道化碼信息。

5．MIMO技術(shù)與智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)和MIMO技術(shù)在本質(zhì)上是有區(qū)別的。智能天線技術(shù)是利用多根發(fā)送天線上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)流，并且根據(jù)用戶的具體來波方向進(jìn)行加權(quán)，利用波束賦形為特定用戶提供定向的波束，降低多址干擾。其主要目的是提高鏈路的可靠性，并且充分的利用現(xiàn)有CDMA信道。再使用智能天線技術(shù)之后，TD-SCDMA系統(tǒng)基本上可以上全碼道工作。

而MIMO技術(shù)則是在不同的天線上發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，提供空間多路復(fù)用增益，提高整體的信道容量。在加上碼復(fù)用方式的使用，使用MIMO技術(shù)的TD-SCDMA系統(tǒng)可以在原來16個(gè)碼道的基礎(chǔ)上額外增加碼道數(shù)目，從而提高其整體的數(shù)據(jù)傳輸速率。

智能天線技術(shù)和MIMO技術(shù)又是可以相互補(bǔ)充的。智能天線技術(shù)提供高的鏈路可靠性，MIMO技術(shù)提供高的信道容量，其目的和應(yīng)用范圍不同。智能天線技術(shù)要求空間信道具有較高的相關(guān)性，而MIMO技術(shù)則要求空間信道的相關(guān)性較小。這就決定了兩者適用于不同的信道環(huán)境。一般來說，智能天線技術(shù)在室外等散射體較少的無線環(huán)境可以獲得較好的性能，在室內(nèi)等多散射體的無線環(huán)境則性能較差，MIMO技術(shù)恰恰比較適合于這種環(huán)境，它可以成為智能天線技術(shù)的有效補(bǔ)充，并使得TD-SCDMA支持更豐富的服務(wù)。

6．展望

隨著MIMO技術(shù)的發(fā)展，以及第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)高數(shù)據(jù)傳輸速率日益增長(zhǎng)的需求，把MIMO技術(shù)應(yīng)用TD-SCDMA系統(tǒng)中成為一種較好的選擇。這不僅使得TD-SCDMA系統(tǒng)可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，為其提供更豐富的服務(wù)提供了支持，而且與智能天線技術(shù)形成了有效的補(bǔ)充。