無線通信系統中的閉環MIMO技術綜述

　　摘要

　　多入多出(MIMO)技術被認為是下一代無線通信的關鍵技術之一，本文主要討論能夠進一步提升多天線系統容量的閉環MIMO技術，即帶有反饋的MIMO系統。反饋的信道信息既可以提高單鏈路的傳輸性能，也可以優化多用戶之間的調度問題。我們給出了幾種在未來無線通信系統中可能采用的閉環MIMO方案，包括基于SVD分解和基于碼本的預編碼技術，分析并比較了它們的性能。仿真結果表明，閉環MIMO技術將有效地提高通信系統的性能。

　　1 引言

　　采用多個發射和接收天線的多入多出(MIMO)技術是下一代無線通信的關鍵技術之一，它能有效利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來提高傳輸速率。3G-LTE和WiMAX系統都采用了MIMO技術來提高其性能，IEEE802.16e和WCDMA的產品已經實現了MIMO系統的功能。

　　MIMO系統的發射方案主要分為兩種類型：最大化傳輸速率的空間復用方案(Spatial Multiplexing，SM)和最大化分集增益的空時編碼方案(Space-Time Coding，STC)。空間復用主要通過在不同天線發射相互獨立的信號實現空間復用，如BLAST算法。空時編碼如STBC和STTC空時算法等，可獲得分集增益，但不能提高數據速率。

　　以上兩種方案的發射端都不需要信道信息(CSI)，稱之為開環MIMO系統。在信道變化較慢的場合，如大城市的室內環境和游牧式的接入服務，閉環MIMO系統能夠進一步提升系統性能。閉環MIMO系統是接收端將信道信息反饋給發射端，然后對傳輸數據進行預編碼、波束成型或者天線選擇等操作。閉環MIMO的反饋方式又可以分為全反饋和部分反饋等。全反饋是將全部信道信息反饋給發射端，由于反饋鏈路要占用系統開銷，在實際系統中，一般都采用部分反饋技術。例如反饋信道的統計特征值、SVD分解值、基于碼本的碼字序號等，實現性能和復雜度的權衡。

　　在移動通信系統中，多徑及多徑時延擴展是移動通信中存在的主要問題。多徑傳播將導致信號嚴重衰落，時延擴展導致符號間干擾，這將會嚴重地影響通信鏈路的質量。為了克服無線信道中的衰落，OFDM技術也被引入下一代無線通信系統中，和MIMO技術相結合，組成下一代無線通信技術的物理層核心技術。

　　本文主要討論閉環MIMO技術，我們給出基于SVD分解的和基于碼本的典型預編碼方案，然后比較其復雜度和性能，最后給出仿真結果并討論其在下一代無線通信網絡中的應用。

　　2 系統模型

　　如圖1所示，具有Nt個發射天線和Nr個接收天線的MIMO系統模型可表示為：

　　y=Hs+n (1)

　　其中y∈CNr×1，s∈CNt×1和n∈CNr×1分別表示接收符號、發射符號和和加性高斯噪聲序列，H∈CNr×Nt為信道矩陣。

　　圖1 MIMO系統結構圖

　　若發射端已知信道H的信息，可以對信道進行預編碼(波束成形)，以獲得更好的傳輸性能。信道信息可由接收端反饋或者發送訓練序列到發射端獲得。這就是閉環MIMO系統，其一般結構如圖2所示

　　圖2 閉環MIMO系統結構圖

　　閉環MIMO系統的發射端的預編碼處理是通過預編碼矩陣P和發射數據相乘來實現的：

　　y=HPs+n (2)

　　=(HP)-1y

　　當發射端可以獲得準確的信道信息時，最佳的傳輸方式可以通過信道矩陣的奇異值(SVD)分解來獲得m(mr=UHy=UH(HVs+n)=UH(UDVH) Vs+UHn=Ds+UHn (3)

　　r=Ds+UHn

　　=D-1r