4G移动通信中的MIMO技术

Ｓ － ＩＯ 即 单 用 户 Ｍ Ｍ ，是 一种 基站 与单 移 动 台间 的 点 Ｕ ＭＭ ， ＩＯ 对 点 多天 线 链 路 的 技 术 。 之 相 对 的 还 有 Ｍ — ＩＯ 与 Ｕ Ｍ Ｍ ，即多用 户 Ｍ Ｍ ， 它 是通 过 同 一 个 频 域 与 时 域 同 时为 多个 移 动 台提 供 与 ＩＯ 基 站 通 信 的技 术 。它 与 单 用 户 Ｍ Ｍ ＩＯ的 。与 较 熟 悉 的 自适 应 天 线 阵 列相 比它 不 一 定 需 要 平 坦 开 阔 的无 线 通 信 环 境 。总 的来 说 ， 多输 入 多 输 出 技 术 有 以下 优 点 ：“ Ｓ （ 间干 扰 ） 明显 ＩＩ 码 降低 ；空间分 集增 益得到提高 ；无线信道容量和频谱利用率 得到提 高；降低误 码率 ，信道的可靠性得到提高 ；资料的传 输 速 率 也 大 幅 提 升 ” 。 本文中，我们把默认基站 ，即发射机有 ｘ个发送天线； 移动台，即用 户设备 （ Ｅ ｕ ）有 Ｙ个接 收天线 。用 Ｘ ×Ｙ阶信道 矩 阵 Ｈ表 示 Ｘ中一 个 天 线 与 Ｙ中 一 个天 线 的传 输 模 型 。
２１ ０ １年 第 ５期 ｅ 总第 １ １期 ） ４
大 众 科 技
ＤＡ Ｚ ＨｏＮＧ ＫＥ Ｊ
Ｎｏ． ２ １Βιβλιοθήκη ５． Ｏ＇ Ｄ ｏ１ ｔ Ｉ Ｎ ．４ ） ｙ
４ Ｇ移 动通 信 中的 Ｍ ０技 术 Ｉ Ｍ
金锦 江 郑 茜茜
（ 州医学院信 息与工程 学院 ，浙江 温州 ３ ５ ３） 温 ２０５
图 ｌ 最优 功 率 分 配 注 水原 理 （ ）单 天 线 的 波 束成 形 ２ 这 里 的 单 天 线 分 为 发 射 机 单 天 线 或 接 收 机 单 天 线 ，但 ＭＭ Ｉ０信道都只能表现 出单个特 征信道 ，因此多个数据流的复
用不可能 。 在 “ 收波 束 成 形 ”上 ，Ｘ Ｉ Ｙ＞ 假 设 单流 ） 即一 接 ＝且 １（ ，
由于 ｓ皿 走低 爱 为 该 空浔 Ｉ 分曩 功 窜 ｌ
（ ）Ｍ Ｍ 二 ｌ０技 术 概 述
ＭＭ ＩＯ技 术 ， 即 在 基站 端和 移 动 台 同时 放 置 多 个 天线 ，使 得基站和移动台这 两者之 间能够形成 Ｍ Ｍ ＩＯ的通信链路 。 这种 技术根据 发射端和接 收端的天线数 目，可 以分为单输入多输
（ ）引言 一
上 海 世 博 园 区 向媒 体 开 放体 验 全 球 首个 Ｔ — Ｔ 规模 演 示 ＤＬＥ 网 时 ， ４ 时 代 已 悄 然 临 近 。 而 多 输 入 多 输 出 技 术 Ｇ （ｕ ｔｐ ｅ Ｉｐ ｔ Ｍ ｌ ｉ ｌ — ｕｐ ｔ ， 即 Ｍ Ｍ 是近 年 来 在 Ｍ ｌｉ ｌ － ｎｕ ｕ ｔｐ ｅ Ｏ ｔ ｕ ） Ｉ０ 无线通讯技术领域极受关注 的技术 ，４ Ｇ移动通信 系统就采用 了 Ｍ Ｍ 术 。 以往 的 ２ ＩＯ技 从 Ｇ移 动通 信 系 统 到 目前 火 热 的 ３ Ｇ系 统均没有采用 Ｍ Ｍ 。在 目前的移动通信 系统里，一发两收是 Ｉ０ 大多数基 站天线采用的结构 。 Ｍ Ｍ 技术用 多个天线构成的 而 ＩＯ
出 （ ｉｇ ｅ ｉｐ ｔｍ ｌ ｉ ｌ— ｕ ｐ ｔ ＩＯ 、 多输 入 单 输 出 ｓｎ ｌ－ ｎ ｕ ｕ ｔｐ ｅ ｏ ｔｕ ，Ｓ Ｍ ）
（ ｉ ｇ ｅ ｕ ｐ ｔ Ｍ ｉ ｉ ｌ — ｉ ｐ ｔ Ｉ Ｏ）或 Ｍ Ｍ 。 Ｓ ｎ ｌ —ｏ ｔ ｕ ｕ ｔ ｐ ｅ ｎ ｕ ，Ｍ Ｓ Ｉ Ｏ
信道 的 Ｓ Ｒ匹配，但这完全通过与流相适的调制和编码方案 Ｎ （Ｃ ）来 调 整 并 解 决 。 ＭＳ
由总功毫限制的。 洼求尊掇
天线阵列 取代基站现有 的单天线 。事实上，Ｍ Ｍ ＩＯ技术能运用 于４ Ｇ系统，也是因为它能较为简单 并且直接地在传统蜂窝移 ’
动通 信 系统 上 进 行 改 进 和 使 用 。
图 １ 。
因 此 在 现 实 中 ，信 息 速 率 不得 不 与 获 得 更 多 功 率 的 特 征 【 收稿 日期 】２ １ Ｏ — ６ ０ 卜 １ ２
个 发 送 天 线 和 Ｙ个 接 收 天 线 的模 型 。在 这种 模 型 中， 发射 机 发 射 一 个 Ｑ Ｍ符 号 ，接 收机 接 收 并 且 获得 信 道 估 计后 ，可 以 Ａ 选择设置波束成形 向量跟干扰源的信道正交，有效地抵消 了 干扰信 号，用 Ｍ Ｃ（ Ｒ 最大 比合 并）自身 Ｙ个接收天线接收的信 号 ，从 而使 接 收 机 能 最 大程 度 地 接 收 Ｓ Ｒ Ｎ 。与 Ｘ 、Ｙ均 为 １ ， 即发送 接收天线 都只有一个的模型相 比，最大 比合并使得接 收机在接收 Ｓ Ｒ上提高 Ｙ倍 ，实现 Ｍ Ｍ Ｎ ＩＯ信道的阵列增益，即 链 路 预 算 上 １１ （ ）ｄ 。 Ｏ ｇ Ｍ Ｂ 在 “ 射 波 束成 形 ”上 ，Ｘ ｌ且 Ｙ ＝ ， 即一 个 接 收 天线 发 ＞ １ 和 ｘ个 发 送 天 线 的模 型 。 这 种模 型 中 ， 射 机发 射 一 个 Ｑ Ｍ 在 发 Ａ 符 号 后 ，再 “ 过 到反 馈 链 路 为 发 射机 提 供 ｘ 阶 的发 射 波 通 ×１ 束 成 形 矢 量 ” 如 果将 发 射 端 的 信 道信 息 设 定 为最 理想 的 值 ， 。 可 以通 过 发射 Ｍ ｃ的 方 法来 得到 最 大 的 Ｓ Ｒ 在 此 处 ， 以把 Ｒ Ｎ， 可 发射 Ｍ Ｃ当成匹配预滤波器来看待 ，它和 “ Ｒ 接收波束成形 ” 样 ，使 平 均 Ｓ Ｒ提 高 了 １ １（ ）ｄ Ｎ ０ Ｎ Ｂ倍 。 （ ）发 射 机 无 信 道信 息 的空 间 复 用 ３ 当 Ｘ ｌ Ｙ ｌ 即 Ｘ个 发送 天 线 和 ｙ 接 收天 线 的 模 型时 ， ＞ 和 ＞， 个 假 设 Ｙ ， 且发 射 的 Ｘ个 流 对 应 各 自不 同的 天 线 。发 射 机 在 ≥ｘ 没有 有 关 Ｈ 的信 息 的情 况 下 ， 就不 能通 过 反 馈 信道 向接 收机 提供 信 道 信 息 ，因而 不 能 靠预 编 码 器 来 设 计 空 间复 用 的方 案 。 发射机方 面无法 下手 ，只有 从接 收机 方面考虑 。而事实上，
多 径传 播 或 使 用 正 交 极 化 ” 而 多用 户 Ｍ Ｍ ， Ｉ Ｏ因 为 ｕ Ｅ间 隔 比波
量 进 行 叠 加 ，叠 加 时 考 虑 其 各 自对 应 的 单 波 束 成 形 效 果 及 合 并 时 各 个 流 间 的 干 扰 ， 这 里 通 常 可 以 使 用 迫 零 接 收 机 （ ｅ ｏ Ｆ ｒ ｉｇ Ｚ ｒ— ｏ ｃ ｎ ）将 接 收 到 的 ｘ个 数 据 流 间 的 干扰 抵 消 掉 。 非 线 性 检 测 器 更 为 先 进 ，但 相 对 的 复 杂 度 也 就 更 高 。 以 Ｍ Ｄ Ｌ 检 测 器 为 例 ，它 尝 试 对 接 收 信 号 的 所 有 流 ， 用 穷 尽 搜 索 的 方 法来找出其中可能性最大的子集 。 “ 用 增 益 相 当 于 对 频 谱 效 率 的倍 乘 因 子 ” 复 ，是 由给 定 方 案 方提 供 。但 是 要 想 有 Ｍ Ｍ Ｉ Ｏ的复 用 增 益 ，要 求 “ 同 的 发 射 不 和接 收 天 线 的 空 域 特 征 能 完 全 解 相 关 且 线 性 独 立 ” 单 的 说 ，简 就 是 要 求 不 同 的 发 射 机 通 过 不 同 的 独 立 数据 流 ， 向不 同 接 收 机 发射 。 只 有 这 样 才 能 让 信 道 矩 阵 Ｈ处 于 良态 ， 甚 至 可 逆 。 显而 易 见 的 ，对 于 天 线 基 站 和 用 户 设 备 （ Ｅ ，他 们 问 独 立 的 Ｕ） 数据 个数 ， 能 超 过 它们 中 最 小 的 天 线 数 ， 不 即满 足 ｍ ｎ Ｖ Ｘ 。 ｉ （， ） 举例 来说，双天线的 Ｕ Ｅ与 ６个天线基 ，它们 间的 Ｓ — Ｉ Ｏ通 ＵＭＭ 信 至 多 只 能 有 两 个 独 立 的 数 据 流 ，但 这 已 经 比单 数 据 流 的 传 输速 率快 了 一 倍 。 ２ 多用 户 Ｍ Ｍ 术 ． ＩＯ技 （ ）单 用 户 和 多用 户 Ｍ Ｍ １ Ｉ Ｏ的 比较 在 多 用 户 Ｍ Ｍ （Ｕ Ｍ Ｍ ）中 ，一 个 小 区 中 可 能 有 Ｕ个 用 ＩＯ Ｍ — Ｉ Ｏ 户设备 （ Ｅ ｕ ）可 以使用 ，但在 同一 时间使用 的只有 Ｋ个 ，一 般情 况 下 ，Ｋ 。若 假 设 每 个 Ｕ ≤Ｕ Ｅ有 Ｊ个 天 线 ，那 么 正 在 工 作 的 天 线 数 就 是 Ｙ＝ Ｊ个 。通 常 来 说 这 里 ｕ Ｋ Ｅ天线 的 数 量 Ｙ是 远 大 于 小 区 中 的 基 站 数 Ｘ的 ，如 此 在 不 考 虑 合 并 干 扰 的前 提 下 ， 多 用 户 Ｍ Ｍ 统 的通 信 过程 中 ，独 立 的数 据 流 个 数 受 到 基 站 Ｉ０系 数 的 限 制 。 另 一 方 面 ，从 单 个 工 作 状 态 中 的 Ｕ Ｅ的角 度 来 看 ， ｕ Ｅ的 天 线 数 Ｊ通 常 远 小于 基 站 数 Ｘ ，如 此 到 单 个 Ｕ Ｅ的 独 立 数 据流个数则是受到 ｕ Ｅ的 天线 数 量 限 制 。举 例 来 说 ，单 天 线 的 ｕ Ｅ最 多 能 复 用 ｘ个 独 立 的 数 据 流 ，但 双 天 线 的 ｕ Ｅ能 复 用 ２ ｘ 个 独 立 的 数 据 流 。而 单 用 户 Ｍ Ｍ （Ｕ Ｍ Ｍ ）要 想 复 用 ｘ个 独 ＩＯ Ｓ — ＩＯ 立 的 数据 流 ， 必 须 在 每 个 Ｕ Ｅ上 安 装 Ｘ个 天 线 。 不难 看 出 ， 对 于 多 用 户 Ｍ Ｍ ， 即使 用 户 设 备 （ Ｅ ＩＯ Ｕ ）只 有 很 少 的 天 线 ，但 仍 能完 美 的进 行 Ｍ Ｍ ＩＯ的空 间 复用 。因 此 在 多 用 户 Ｍ Ｍ 系 统 中 更 加 着 重 基 站 的建 设 ，通 常 基 站 要 对 从 Ｕ ＩＯ Ｅ 发送 来 的 信 号 进 行 “ 收 波 束 成 形 ”并 对 向 Ｕ 接 Ｅ发送 的 信 号 进 行 “ 射波束成形 ” 发 。 信道的模型不一样也是单用户 ＭＭ Ｉ ０和 多 用 户 Ｍ Ｍ ＩＯ一 个 基 本 的 区 别 。单 用 户 Ｍ Ｍ Ｉ Ｏ的 “ 线 空 域 特 性 问 的解 相 关 需 要 天 （ 上接 第 ４ ０页 ）能 ，为 了产 生足 够 大 的 垃 圾 信 息 ，攻 击 者 需 要 准 确 计 算 路 由 器 的 转 发 时 间 和 效 率 才 能 耗 费 完 目标 主 机 的