多用戶MIMO:下一代移動通信關(guān)鍵技術(shù)
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多入多出(MIMO)技術(shù)已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,已經(jīng)有不少關(guān)于點對點的單用戶MIMO系統(tǒng)的研究。在實際應(yīng)用中,系統(tǒng)往往需要一個基站(BS)同時和多個移動臺(MS)進(jìn)行通信,比如最常見的蜂窩系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)(WLAN)等。因此,有關(guān)點對多點的多用戶MIMO (Multi-user MIMO)系統(tǒng)(如圖1所示)的研究也就應(yīng)運而生,它比單用戶MIMO更加復(fù)雜。
圖1 多用戶MIMO示意圖
2、多用戶MIMO系統(tǒng)
2.1 系統(tǒng)介紹
?。?)信道模型
多用戶MIMO上行鏈路通常被稱作多址接入信道(MAC),下行鏈路則為廣播信道(BC)。在上行鏈路中,所有用戶工作在相同的頻段上,向同一個基站發(fā)送信號,然后基站通過適當(dāng)?shù)姆椒▉韰^(qū)分用戶數(shù)據(jù),主要問題是基站如何針對不同的多址接入方式采用陣列處理、多用戶檢測(MUD)或者其他有效方法來分離各個用戶的數(shù)據(jù)。下行鏈路中,基站將通過處理的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換成多個數(shù)據(jù)流,每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖成形、調(diào)制,然后通過多根天線同時發(fā)送到無線空間,每一個接收天線接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶的信號與干擾噪
聲的疊加,主要問題是如何消除由此帶來的多址干擾(MAI)。
由于多用戶MIMO系統(tǒng)中各用戶的信道彼此獨立,因此,用戶一般能夠知道自己的信道狀態(tài)信息,卻很難獲得其他用戶的信道信息,而獲得其他用戶信道信息需要付出很大的代價。也就是說用戶之間很難進(jìn)行協(xié)作。與此相反,基站有條件獲得所有通信用戶的信道狀態(tài)信息,對于時分雙工系統(tǒng)(TDD),這可由基站接收的上行鏈路的訓(xùn)練或者導(dǎo)頻序列來獲得,對于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)則可以通過反饋獲得。另外,基站的處理能力也要比移動臺(MS)強(qiáng)得多,因此一般都是由基站在發(fā)射信號前做信號預(yù)處理(比如波束成形),以消除、抑制干擾或者在接收到信號之后進(jìn)行后處理來區(qū)分用戶。
與單用戶MIMO不同的是,多用戶MIMO系統(tǒng)的容量是一個多維的區(qū)域。假設(shè)總的發(fā)送功率一定,對于不同用戶有可能分配不同的功率,從而產(chǎn)生許多不同的信息速率,結(jié)果就形成了以用戶數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如,對于K個用戶,信道容量區(qū)域則用K維的容量來表示。
?。?)收發(fā)兩端的信號處理
由于多用戶MIMO系統(tǒng)使用同一頻段,故可以應(yīng)用除頻分多址(FDMA)之外的其他多址接入方式。其中,時分多址(TDMA)頻譜效率較低,碼分多址(CDMA)需要消耗大量的碼資源,而空分多址(SDMA)沒有這兩個缺點。同時,多用戶MIMO的多天線也能夠很好地滿足空分多址對空間維數(shù)的要求,因此空分多址(SDMA)成為多用戶MIMO系統(tǒng)的一種重要的多址方式。實際上,為了更好地抵抗衰落,往往需要同時考慮時間和空間兩維,因此需要應(yīng)用空時編碼來構(gòu)造碼字。同時,空時譯碼算法和信道估計技術(shù)結(jié)合以獲得分集增益和編碼增益。
以多用戶MIMO下行鏈路為例,其空時處理方法主要有線性和非線性兩種。線性處理方法包括信道求逆法、塊對角化(BD)算法等。非線性處理方法即污紙編碼(DPC)主要有QR分解、網(wǎng)格編碼等。
?。?)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度
考慮實際網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將引出很多與調(diào)度問題相關(guān)的問題。對于廣播信道,當(dāng)大量用戶通過快速時變信道共享一個網(wǎng)絡(luò)的時候,基站通過用智能調(diào)度算法改進(jìn)信道。一種方法就是以系統(tǒng)吞吐量最大化為目標(biāo),即在用戶信道容量達(dá)到最大的時候向其發(fā)射信息,這就需要考慮網(wǎng)絡(luò)中哪些用戶在某一時刻被組合在一起同時進(jìn)行通信。用戶組內(nèi)利用空分多址接入,而組與組之間用其他接入方式,因此也必須考慮用戶之間的空間相關(guān)性。
另外,如果要兼顧有效性和公平性,問題就更加復(fù)雜了,必須整體考慮,找一個折衷點。
2.2 存在的問題——復(fù)雜度與性能的折衷
雖然多用戶通信的傳統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)被充分研究過了,但在無線網(wǎng)絡(luò)中引入多天線之后,問題又變得復(fù)雜起來了。多用戶MIMO具有很多優(yōu)點,比如利用多天線的復(fù)用增益來擴(kuò)大系統(tǒng)的吞吐量,利用多天線的分集增益來提高系統(tǒng)性能,利用天線的方向性增益來區(qū)分用戶而消除用戶間的干擾等等。然而,如果聯(lián)系實際應(yīng)用的實現(xiàn)問題,則必須把算法實現(xiàn)的復(fù)雜度也考慮進(jìn)來,需要在性能和復(fù)雜度之間找一個折衷點。復(fù)雜度可以說是多用戶MIMO技術(shù)所帶來的眾多優(yōu)點所必需付出的代價。前面提到的空時處理方法和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度都面臨著同樣的問題。
以空時處理為例。線性的空時處理方法復(fù)雜度比較低,但是性能較差,進(jìn)一步迫近多用戶信道的總?cè)萘?,我們必須找到一種更好的處理方法,從這方面來說,DPC是個不錯的選擇,不過其編碼復(fù)雜度又太高,實現(xiàn)起來不容易。再加上如果將高斯信道擴(kuò)展到更加符合實際的時間和頻率選擇性信道,處理的復(fù)雜度也就更加高了。另外,目前多用戶MIMO信道的大部分處理方法都是假設(shè)發(fā)射端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息(CSI),由于系統(tǒng)會有一定的處理時延,當(dāng)信道變化劇烈的時候這實際上是很難得到的,因此還必須考慮得到的信道狀態(tài)信息不夠準(zhǔn)確(ICSI)的情況。
2.3 虛擬MIMO
在多用戶MIMO中,從實際出發(fā),往往是假設(shè)各終端用戶之間是沒有協(xié)作的。對于多用戶MIMO的上行鏈路,存在一種特殊的形式,即每個用戶終端只有一個天線,但是它們之間存在一定協(xié)作的情況。WiMAX中已經(jīng)采用了這種技術(shù),并將其稱為虛擬MIMO(Virtual MIMO)。
理想的MIMO多天線系統(tǒng)要求相鄰天線之間的間距要遠(yuǎn)大于電波波長,并且多個收發(fā)天線之間的傳輸信道是不相關(guān)的,而由于質(zhì)量、體積和功耗等的限制,移動終端很難實現(xiàn)多個天線的安置。于是Sendonaris等人提出了一種新的空域分集技術(shù)——協(xié)作分集,其基本原理是:每個單天線的移動終端都有一個或多個合作伙伴(Partner),它除了要傳輸自己的信息之外,還要負(fù)責(zé)傳輸其合作伙伴的信息。這樣,相當(dāng)于相互協(xié)作的移動終端共享了彼此的天線,構(gòu)造了一個“虛擬”的MIMO,虛擬MIMO因此得名。在虛擬MIMO系統(tǒng)中,每個終端在傳輸信息的過程中既利用了自己又利用了其它終端
的空間信道,從而獲取了一定的空間分集增益,實現(xiàn)了單天線移動終端的空域分集。在平衰落環(huán)境下,虛擬MIMO可以擴(kuò)大系統(tǒng)容量,提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量,改善系統(tǒng)性能。
以無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)為例?;居捎诠摹Ⅲw積限制更寬,處理能力更強(qiáng),因此比移動臺擁有更多的天線配置,而每個移動臺鑒于質(zhì)量、體積和功耗的限制,只有一個天線??紤]上行鏈路,對于每一個移動臺來說,都是一個SIMO系統(tǒng)。倘若把多個移動臺的發(fā)送聯(lián)合起來,動態(tài)的將兩個單天線發(fā)送的移動臺配成一對,共享移動臺之間的天線,進(jìn)行虛擬的MIMO發(fā)送,這樣2個MIMO信道具有較好正交性的移動臺可以共享相同的時/頻資源,從而提高上行系統(tǒng)的容量。移動臺 MS1除了要向基站傳送自己的信息外,還要把從移動臺MS2接收到的信息發(fā)送給基站BS。同時,MS1的一部分信息也由MS2接收,并轉(zhuǎn)發(fā)給BS。這樣, MS1與BS間就產(chǎn)生兩條獨立衰落路徑:一條是MS1與BS之間的直接傳輸路徑;另一條是MS1、MS2與BS間的間接傳輸路徑,由此通過模仿傳統(tǒng)的多發(fā)射天線分集來獲得空間分集增益?;究梢酝ㄟ^干擾抵消,ML等聯(lián)合檢測技術(shù),能有效的對抗多用戶干擾。
Virtual MIMO技術(shù)目前已應(yīng)用于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中,同時,它是WiMAX工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的一部分,也由3GPP WCDMA長期演化計劃LTE和3GPP2 CDMA EV-DO版本C標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范??梢哉f,該技術(shù)為MIMO多天線技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑。該技術(shù)具備上述眾多優(yōu)點,同時,它也將在一定程度上影響現(xiàn)有的商業(yè)模式。由于系統(tǒng)中的用戶之間需要相互合作,而不同用戶各方面條件(終端、信道條件、業(yè)務(wù)種類等等)具有不對稱性,協(xié)作過程中某特定用戶的“所得” 和“所失”可能并不平衡,這就需要配備相應(yīng)的流量計費系統(tǒng)來進(jìn)行均衡,根據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果采取適當(dāng)?shù)姆绞綄ο鄬Α暗玫健陛^多的用戶進(jìn)行收費,同時對“付出”較多的用戶進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。也只有這樣才可以驅(qū)動用戶為其他用戶“付出”。
Virtual MIMO技術(shù)存在的主要問題是協(xié)作用戶之間的同步問題以及安全問題。
3、跨層研究
現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)采用分層協(xié)議模型,即物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層等。如果保持嚴(yán)格的模塊化,也就是說每層只與相鄰層通信,則網(wǎng)絡(luò)效率較低,甚至可能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,跨層(Cross-layer)技術(shù)的概念被逐漸引進(jìn)來,即利用層間的協(xié)同算法,處理不同協(xié)議層類似的問題,如安全性、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、移動性等等。媒體接入控制(MAC)層可以分配較長的信道占用時間給調(diào)質(zhì)速率較低的鏈路,來滿足吞吐量的限制;網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議可以重傳信息,以減小高速率下的擁塞;應(yīng)用層可用編碼解決不同路徑的分集。跨層設(shè)計的重點是找出關(guān)鍵層以及次要層,其中,關(guān)鍵層即需要重點考慮的一層,次要層是指忽略該層之后系統(tǒng)所產(chǎn)生的性能損失能夠達(dá)到最小的一層。目前,在多用戶MIMO方面已有相關(guān)的研究,例如,物理層結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)鏈路層QoS的影響;MIMO自組織網(wǎng)絡(luò)(Ad Hoc)中媒體接入控制(MAC)層和物理層(PHY)的跨層設(shè)計;多用戶MIMO系統(tǒng)的跨層調(diào)度等等。
4、相關(guān)應(yīng)用
多用戶MIMO的典型應(yīng)用就是多天線基站的無線通信,即多天線基站同時和多個移動臺進(jìn)行通信。另外,向多個移動臺發(fā)送數(shù)據(jù)的多個蜂窩小區(qū)基站的協(xié)調(diào)也受到關(guān)注。
其實,許多發(fā)射終端能夠合作而MIMO信道接收端卻不能夠協(xié)作的情形,都可以應(yīng)用這種模型來分析。比如,每個用戶存在線間串?dāng)_的DSL系統(tǒng)下行鏈路就是這樣一種情形,基站合作的多包多接入信道,高速電路的片對片互聯(lián),以及頻率選擇性信道中用于多址接入的正 交頻率復(fù)用(OFDM)等等都可以。和蜂窩系統(tǒng)中的多徑一樣,在這些情形下,如果在發(fā)射和接收端進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘柼幚?,串?dāng)_和衰落就能提供額外的分集度。
在多用戶MIMO技術(shù)優(yōu)勢的驅(qū)動下,不少公司也逐漸將其推向市場。例如,Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11無線網(wǎng)絡(luò)中發(fā)展了多天線技術(shù)。當(dāng)與多個無線用戶通信時,這種多天線接入點具備多用戶MIMO的提高吞吐量、增強(qiáng)分集度以及減少干擾的潛力。
目前,虛擬MIMO技術(shù)已逐漸向著商品化的方向邁進(jìn)。2006年10月,北電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了業(yè)界首次利用虛擬MIMO技術(shù)的無線傳輸試驗。這一技術(shù)可以幫助移動運營商大幅度增加寬帶用戶。對于4G運營商來說,這一技術(shù)意味著同樣的投資可以換來更大的收入。2007年5月,諾基亞西門子合資公司目前已經(jīng)與德國Fraunhofer電信研究所共同完成了虛擬多入多出技術(shù)(Virtual MIMO)的測試,大大提高手機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速度,下一代無線高速LTE(長期演進(jìn))手機(jī)的數(shù)據(jù)上傳速度能夠達(dá)到108Mb/s。這些無疑都為運營商向4G移動通信技術(shù)演化提供了更加明確的途徑。
5、結(jié)束語
多入多出(MIMO)技術(shù)已經(jīng)成為下一代無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,考慮到實際系統(tǒng)往往是一個基站(BS)同時和多個移動臺(MS)進(jìn)行通信的實際情況,多用戶MIMO更加貼近實際。作為多用戶MIMO技術(shù)中的特例,虛擬MIMO利用協(xié)作分集,更好地解決了終端的條件限制問題,為MIMO多天線技術(shù)走向?qū)嵱锰峁┝艘粭l新的途徑,使得MIMO技術(shù)大規(guī)模商用的可能性大大增加。
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