MIMO技術及其在TD-SCDMA系統中的應用

1．介紹
隨著無線通信系統的充分發展，語音業務已經不能夠滿足人們對高速數據業務的要求。提供網頁瀏覽、多媒體數據傳輸以及其他類型的數據業務是發展無線通信系統和服務的一個重要目的。特別是，基于碼分多址的第三代移動通信系統。雖然已經提出多種利用現有無線資源（諸如碼道、時隙、頻率等）提高數據傳輸速率的建議，但是其只不過是以語音容量換取數據容量的方法。隨著MIMO的技術的出現，一種利用多個發射天線、多個接收天線進行高速數據傳輸的方法已經被提出，并成為未來無線通信技術發展的一種趨勢。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST結構是典型的利用MIMO技術進行空間多路復用的技術。已經證明，具有M個發射天線以及P個接收天線的MIMO系統，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。

傳統的MIMO系統均是非擴頻的系統，而第三代移動通信系統是基于CDMA技術的擴頻系統。可以采用碼復用（Code-Reuse）方式把MIMO技術與CDMA系統結合起來，從而有效地提高其高速下行分組接入（HSDPA）的總體數據速率。同樣，TD-SCDMA系統也可以采用碼復用的方式來應用MIMO技術，本文給出了一種TD-SCDMA系統的MIMO技術解決方案。這樣，TD-SCDMA系統將既可以應用智能天線技術，也可以應用MIMO天線技術，本文將初步分析應用MIMO技術之后對智能天線技術的影響。

2．MIMO技術概述

MIMO技術大致可以分為兩類：發射/接收分集和空間復用。傳統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通過不同的路徑被發送出去，在接收機端可以獲得數據符號多個獨立衰落的復制品，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根發射天線n根接收天線，發送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的，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 。對于發射分集技術來說，同樣是利用多條路徑的增益來提高系統的可靠性。在一個具有m根發射天線n根接收天線的系統中，如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落，可以獲得的最大分集增益為mn。

智能天線技術也是通過不同的發射天線來發送相同的數據，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，智能天線技術也可以算一種天線分集技術。
分集技術主要用來對抗信道衰落。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）。從本質上來講，如果每對發送接收天線之間的衰落是獨立的，那么可以產生多個并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流，可以提供傳輸數據速率，這被成為空間復用。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，此時對于m根發射天線n根接收天線，并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的，信道容量為：

其中 即為自由度。

根據子數據流與天線之間的對應關系，空間多路復用系統大致分為三種模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數據被分為若干子流，每個子流之間分別進行編碼，但子流之間不共享信息比特，每一個子流與一根天線相對應，但是這種對應關系周期性改變，如圖1.b所示，它的每一層在時間與空間上均呈對角線形狀，稱為D-BLAST（Diagonally- BLAST）。D-BLAST的好處是，使得所有層的數據可以通過不同的路徑發送到接收機端，提高了鏈路的可靠性。其主要缺點是，由于符號在空間與時間上呈對角線形狀，使得一部分空時單元被浪費，或者增加了傳輸數據的冗余。如圖1.b所示，在數據發送開始時，有一部分空時單元未被填入符號（對應圖中右下角空白部分），為了保證D-BLAST的空時結構，在發送結束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果采用burst模式的數字通信，并且一個burst的長度大于M（發送天線數目）個發送時間間隔 ，那么burst的長度越小，這種浪費越嚴重。它的數據檢測需要一層一層的進行，如圖1.b所示：先檢測c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接著b0、b1和b2……

另外一種簡化了的BLAST結構同樣最先由貝爾實驗室提出。它采用一種直接的天線與層的對應關系，即編碼后的第k個子流直接送到第k根天線，不進行數據流與天線之間對應關系的周期改變。如圖1.c所示，它的數據流在時間與空間上為連續的垂直列向量，稱為V-BLAST（Vertical-BLAST）。由于V-BLAST中數據子流與天線之間只是簡單的對應關系，因此在檢測過程中，只要知道數據來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數據，檢測過程簡單。

本文引用地址：http://www.104case.com/article/201706/357761.htm
考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優缺點，一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結構被提出：T-BLAST。等文獻分別提及這種結構。它的層在空間與時間上呈螺紋（Threaded）狀分布，如圖2所示。原始數據流被多路分解為若干子流之后，每個子流被對應的天線發送出去，并且這種對應關系周期性改變，與D-BLAST系統不同的是，在發送的初始階段并不是只有一根天線進行發送，而是所有天線均進行發送，使得單從一個發送時間間隔 來看，它的空時分布很像V-BALST，只不過在不同的時間間隔中，子數據流與天線的對應關系周期性改變。更普通的T-BLAST結構是這種對應關系不是周期性改變，而是隨機改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道，而且沒有空時單元的浪費，并且可以使用V-BLAST檢測算法進行檢測。

3．碼復用方式

隨著第三代移動通信技術的發展，以及HSDPA對高速數據傳輸的需求。MIMO技術與CDMA系統結合的碼復用（Code-reuse）方式被提出。所謂碼復用方式是指通過多根天線上發送出去的不同數據層，采用的擴頻碼相同。這樣每一層中多個CDMA碼道上的數據可以依靠它們采用的不同的擴頻碼進行區分，共享同一個擴頻碼的不同層中的數據可以依靠它們經歷的不同的空間信道的特性進行區分。碼復用方式又可以進一步擴展為同碼傳輸方式和異碼傳輸方式。其中擴頻碼是信道化碼和擾碼的乘積，如果不同層上的數據采用的信道化碼和擾碼均相同，稱為同碼傳輸方式；如果不同層上的數據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，可以采用異碼傳輸方式提高系統的整體性能。

一個典型的應用于WCDMA系統的碼復用方式發射機結構圖如下所示。

高速率數據流被多路分解為MN個子數據流，M組子數據流中的第n個子流使用第n個擴譜碼
（ ）。第m個子數據流（ ）通過第m根天線發送出去，這樣共享同一個擴譜碼的子數據流通過不同的天線被發送出去。

所有M個共享同一個碼的子數據流，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處理技術被區分出來。信道估計可以通過M個正交的下行導頻序列得到。共享同一個碼的M個子數據流之間會產生空間多址干擾（MAI）。在平坦衰落信道中，使用不同的碼的子數據流之間不會彼此影響，因為碼與碼之間是正交的，對于每一組使用相同的碼的子數據流，可以使用多用戶檢測消除MAI的影響。比如最大似然（ML）檢測器和V-BLAST檢測器。因為最大似然檢測器的復雜度與M呈指數關系，V-BLAST檢測器是一個次優和低復雜度的選擇。V-BLAST檢測器包括兩部分：線性變換和有序的連續干擾消除。線性變換可以使用迫零（ZF）準則或者最小均方誤差（MMSE）準則消除MAI。線性變換之后具有最大SINR的編碼符號被檢測出來，并且把它從所有接收信號中減去。對于修訂后的接收信號向量，繼續使用線性變換和有序的連續干擾消除方法，進行信號提取，直到所有的子數據流被檢測出來。最后MN個子數據流被多路合成為一個高速率的數據流，然后進行逆映射，解交織和解碼。

4．MIMO技術與TD-SCDMA系統的結合

利用碼道、時隙等無線資源的分配雖然可以達到提高傳輸速率的目的，但是它只是對現有資源的再分配，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。尤其是對于以高的頻率效率著稱的TD-SCDMA系統來說，由于其采用智能天線技術，基本上對于現有無線資源的利用已經很充分。因此為了大幅度的提高系統的傳輸速率，采用MIMO技術成為一種較好的選擇。

TD-SCDMA系統同樣采用碼復用方式與MIMO技術進行結合。假設發射天線數目為M，接收天線數目為P。一個時隙中的用戶數據 首先按照天線個數被分解為L個子數據流，每一個子流被稱為一層數據。這一層的全部數據均通過一根相應的發射天線發送出去，在發送之前，每一層數據再次被分為C組，并被分配到C個CDMA碼道上。然后，每個碼道上的數據分別進行編碼、擴頻、調制和加擾，并加入訓練序列形成突發結構。最后，每一層數據中的C個碼道進行合并得到一層的發送數據，并通過相對應的天線發送出去。當發送天線數目大于發送層的數目時，可以激活天線加權單元，從而通過加權處理使得層數據通過相應的天線發送出去。如下圖所示。

不同層上的數據可以使用相同擴頻碼傳輸或者不同擴頻碼傳輸。擴頻碼由信道化碼和擾碼共同構成，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，不同層上的數據采用相同的擴頻系數Q，擴頻系數可以從1、2、4、8、16中選擇，并且不同層上分配的碼道數目相同。為了在接收機端獲得來自不同發射天線的信道沖激響應，每層需要分配不同的訓練序列，即同一層的所有數據不論其來自哪一個用戶、占用哪一個碼道均使用同一個訓練序列進行發送。不同層使用的訓練序列由同一個基本訓練序列通過偏移產生。

TD-SCDMA系統中訓練序列的主要作用是進行信道估計，在非MIMO的TD-SCDMA系統中，還可以通過訓練序列附帶額外的信息，使得在終端進行接收時，通過訓練序列偏移值相關信息，獲得其他用戶的信道化碼信息，從而進行多用戶檢測。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送時，所有碼道使用相同的訓練序列，并用該訓練序列與基本訓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練序列偏移值與信道化碼之間的一一對應關系，每個碼道使用不同偏移值的訓練序列，終端在進行信道估計之后，通過這種對應關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必要改變，這是因為訓練序列必須與發射天線（層）相對應，而且訓練序列還需附帶層的序號信息，即告知接收機當前被檢測層在發射機端處于所有層中的位置，以便多路合并時能夠正確恢復出原始數據。除此之外，接收機還需要知道擾碼信息和信道化碼信息，以便進行多用戶的檢測。因此，對于應用MIMO技術的TD-SCDMA系統來說，其訓練序列除了信道估計的作用之外，應該還具有如下三方面的作用：攜帶層序號信息；攜帶擾碼分配信息；攜帶信道化碼信息。

5．MIMO技術與智能天線技術

智能天線技術和MIMO技術在本質上是有區別的。智能天線技術是利用多根發送天線上發送相同的數據流，并且根據用戶的具體來波方向進行加權，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，并且充分的利用現有CDMA信道。再使用智能天線技術之后，TD-SCDMA系統基本上可以上全碼道工作。

而MIMO技術則是在不同的天線上發送不同的數據流，提供空間多路復用增益，提高整體的信道容量。在加上碼復用方式的使用，使用MIMO技術的TD-SCDMA系統可以在原來16個碼道的基礎上額外增加碼道數目，從而提高其整體的數據傳輸速率。

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

6．展望

隨著MIMO技術的發展，以及第三代移動通信系統對高數據傳輸速率日益增長的需求，把MIMO技術應用TD-SCDMA系統中成為一種較好的選擇。這不僅使得TD-SCDMA系統可以支持更高的數據傳輸速率，為其提供更豐富的服務提供了支持，而且與智能天線技術形成了有效的補充。