MIMO技術(shù)在3G演進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

目前，我國(guó)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)囊?guī)模，并且全面升級(jí)到HSDPA階段，能實(shí)際提供用戶下行最高2.8Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。然而隨著寬帶無(wú)線接入的出現(xiàn)，接入移動(dòng)化、寬帶化的業(yè)務(wù)需求越來(lái)越旺盛，用戶對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的速率要求也越來(lái)越高，例如多方視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播等業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)速率經(jīng)常高達(dá)100Mbit/s。MIMO技術(shù)的出現(xiàn)，使得大幅度提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率成為可能，在3GPP的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中，對(duì)MIMO技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，MIMO技術(shù)已經(jīng)成為3G演進(jìn)系統(tǒng)的必選技術(shù)。

TD-SCDMA的演進(jìn)

TD-SCDMA作為3G標(biāo)準(zhǔn)之一，經(jīng)過(guò)近10年的發(fā)展，已經(jīng)走過(guò)了第一階段即單載波和多載波TD-SCDMA。目前TD-SCDMA正處于短期演進(jìn)階段，主要包括引入高速下行分組接入（HSDPA）和高速上行分組接入（HSUPA），通過(guò)采用高階調(diào)制方式、快速調(diào)度和快速重傳機(jī)制增加系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸時(shí)延，提高峰值速率。TD-SCDMA的中長(zhǎng)期演進(jìn)，即HSPA+技術(shù)和LTE，HSPA+ 階段的數(shù)據(jù)速率將超過(guò)10Mbit/s，LTE階段的峰值數(shù)據(jù)速率能到達(dá)100Mbit/s。TD-LTE系統(tǒng)是TD-SCDMA在向IMT- Advanced系統(tǒng)演進(jìn)過(guò)程中的過(guò)渡階段，目標(biāo)是提供高數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延和優(yōu)化分組數(shù)據(jù)應(yīng)用，為3G系統(tǒng)向IMT-Advanced的平滑演進(jìn)起到良好的鋪墊作用。

MIMO技術(shù)

MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線（或陣列天線）和多通道，多天線接收機(jī)利用空時(shí)編碼處理能夠分開并解碼數(shù)據(jù)子流，從而實(shí)現(xiàn)最佳處理。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨(dú)立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個(gè)并行空間子信道，通過(guò)這些并行空間子信道獨(dú)立地傳輸信息，數(shù)據(jù)速率必然可以提高。研究表明，在散射豐富的無(wú)線環(huán)境中，MIMO技術(shù)將極大的提高信道容量，并且信道容量隨收發(fā)端最小天線個(gè)數(shù)的增加而近似線性增加。在通信系統(tǒng)中，通過(guò)采用MIMO技術(shù)，在空域上實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，系統(tǒng)性能和傳輸能力能夠得到很大提高。由于MIMO可以提高系統(tǒng)容量和頻譜效率，因此將它作為TD-SCDMA演進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)也是必然趨勢(shì)。

圖1 3GPP中的MIMO接收機(jī)框圖

智能天線和 MIMO技術(shù)是多天線系統(tǒng)的兩個(gè)不同分支。智能天線利用信道的相關(guān)性以達(dá)到波束賦形的目的，能提高系統(tǒng)覆蓋，降低干擾；MIMO技術(shù)則利用信道的獨(dú)立性以達(dá)到多數(shù)據(jù)流并行傳輸?shù)哪康?，能提高系統(tǒng)的容量。如果將智能天線與MIMO技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)能同時(shí)獲得空間分集和空間復(fù)用增益。這種新的天饋系統(tǒng)不但能提供智能天線所帶來(lái)的覆蓋增益，還能通過(guò)MIMO技術(shù)獲得的容量增益。

MIMO與CDMA結(jié)合的碼復(fù)用技術(shù)

隨著3G技術(shù)的飛速發(fā)展，以及3G演進(jìn)過(guò)程中對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅琈IMO技術(shù)與CDMA系統(tǒng)結(jié)合的碼復(fù)用方式被提出。3GPP給出了空間復(fù)用MIMO處理技術(shù)中碼復(fù)用的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

每一個(gè)信道化碼/擾碼對(duì)可以調(diào)制到M（M為發(fā)送天線個(gè)數(shù)）個(gè)不同的數(shù)據(jù)流上。共享同一個(gè)信道化碼/擾碼對(duì)的數(shù)據(jù)流，可以通過(guò)它們的空間特征被區(qū)分出來(lái)。理論上講，MIMO系統(tǒng)碼復(fù)用的峰值吞吐量是SISO系統(tǒng)的M倍。如果SISO系統(tǒng)使用高階調(diào)制使得兩者獲得相同的數(shù)據(jù)速率，那么碼復(fù)用只需要更小的 SNR。傳統(tǒng)的單天線發(fā)射機(jī)把一個(gè)高速率數(shù)據(jù)流分解為N個(gè)低速率的子數(shù)據(jù)流。第n個(gè)子數(shù)據(jù)流使用第n個(gè)擴(kuò)頻碼（n=1，2，L，M）進(jìn)行擴(kuò)頻，這N個(gè)子數(shù)據(jù)流被合并、加擾并發(fā)送出去。而在MIMO系統(tǒng)的發(fā)送端，高速率數(shù)據(jù)流被分解為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)頻碼 （n=1，2，L，M）；第m個(gè)子數(shù)據(jù)流（m=1，2，L，M）通過(guò)第m根天線發(fā)送出去，這樣共享同一個(gè)擴(kuò)頻碼的子數(shù)據(jù)流通過(guò)不同的天線被發(fā)送出去。

在接收端，終端采用多天線和空間信號(hào)處理技術(shù)以區(qū)分使用同一個(gè)擴(kuò)頻碼的M個(gè)子數(shù)據(jù)流。配備了P個(gè)天線的典型MIMO接收機(jī)如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)連續(xù)檢測(cè)，終端必須獲知每一組收發(fā)天線對(duì)之間的復(fù)信道衰落值。對(duì)于平坦衰落信道而言，信道是由MP個(gè)復(fù)信道系數(shù)表征的；而對(duì)于頻率選擇性衰落信道而言，信道由 LMP個(gè)系數(shù)表征（L為RAKE接收機(jī)的指峰數(shù)）。對(duì)于這兩種信道，都可以通過(guò)計(jì)算接收到的信號(hào)與M個(gè)正交的導(dǎo)頻序列獲得信道估計(jì)值。在3G的MIMO系統(tǒng)接收端，一般用多用戶檢測(cè)器來(lái)解決MAI的問(wèn)題，如ML多用戶檢測(cè)器以及V-BLAST多用戶檢測(cè)器。ML性能最優(yōu)，但是它具有高復(fù)雜度的缺點(diǎn)，其復(fù)雜度與M成指數(shù)增長(zhǎng)。與ML多用戶檢測(cè)相比，V-BLAST是次優(yōu)的，但是其復(fù)雜度較低。因此，實(shí)際中接收端常采用V-BLAST檢測(cè)。

V-BLAST檢測(cè)器主要包括兩部分：線性變換和排序連續(xù)干擾相消。線性變換可以使用迫零（ZF）準(zhǔn)則或者M(jìn)MSE準(zhǔn)則來(lái)消除MAI。線性變換之后，具有最大信號(hào)干擾噪聲比（SINR）的編碼符號(hào)被檢測(cè)出來(lái)，并且把它從所有接收信號(hào)中去除。對(duì)于修正后的接收信號(hào)向量，繼續(xù)使用線性變換和OSIC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(lái)。被檢測(cè)出來(lái)的共計(jì)MN個(gè)子數(shù)據(jù)流通過(guò)多路復(fù)用器，最終形成一個(gè)高速率的數(shù)據(jù)流，然后再進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理，例如，反映射、解交織和譯碼等。

MIMO在TD-SCDMA演進(jìn)系統(tǒng)中的解決方案

當(dāng)發(fā)送端能準(zhǔn)確及時(shí)地獲知信道狀態(tài)信息（CSI）時(shí)，發(fā)送端可以通過(guò)信道矩陣的奇異值分解（SVD）對(duì)每根天線上的發(fā)射功率進(jìn)行最優(yōu)分配，使得系統(tǒng)總體性能最優(yōu)。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，無(wú)線信道隨著環(huán)境和噪聲的改變發(fā)生快速的變化，發(fā)送端很難及時(shí)獲得完全準(zhǔn)確的CSI，因此研究在獲知有限CSI下如何提高系統(tǒng)性能的MIMO解決方案變得極具意義。目前被廣泛認(rèn)可的方案有：每天線速率控制（PARC）和每流速率控制（PSRC），都具有較高的系統(tǒng)性能和終端接收處理的可實(shí)現(xiàn)性。

PARC

基于TD-SCDMA的MIMO技術(shù)采用碼復(fù)用方案的同時(shí)還可以對(duì)每根天線發(fā)送的數(shù)據(jù)速率進(jìn)行控制，即為PARC方案。PARC方案的原理是每根發(fā)送天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)流的調(diào)制編碼都是獨(dú)立的，網(wǎng)側(cè)根據(jù)終端上報(bào)的反饋信息或者是上行鏈路的測(cè)量信息（TDD系統(tǒng)上下行鏈路的對(duì)稱性）來(lái)決定每根發(fā)送天線上數(shù)據(jù)流的調(diào)制編碼方式。如果某根天線對(duì)應(yīng)的信道質(zhì)量太差，甚至于不能支持最低的數(shù)據(jù)速率，則這根天線將不發(fā)送數(shù)據(jù)，因此，選擇發(fā)送是PARC的一種特殊情況。

PARC中的HS-DSCH基本物理層結(jié)構(gòu)

圖2 PARC方案中的HS-DSCH的基本物理層結(jié)構(gòu)PARC的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

圖2給出了PARC方案中的HS-DSCH的基本物理層結(jié)構(gòu)。一個(gè)高速率數(shù)據(jù)流被解復(fù)用為最多為NT（NT為發(fā)送端天線數(shù)）個(gè)低速的數(shù)據(jù)流。每個(gè)低速的數(shù)據(jù)流單獨(dú)進(jìn)行編碼、交織和調(diào)制。由于每個(gè)低速的數(shù)據(jù)流采用的編碼調(diào)制方式不一定相同，因此所承載的信息比特?cái)?shù)也不一定相同。對(duì)于某個(gè)低速的數(shù)據(jù)流包含的符號(hào)由相應(yīng)的發(fā)送天線發(fā)送至空口。其中每個(gè)低速的數(shù)據(jù)流再次被分解至C個(gè)子流，其中C代表終端實(shí)際接入能力定義的最大HS-PDSCH數(shù)目。這些子流分別使用不同的OVSF信道化碼擴(kuò)頻后疊加，再使用擾碼進(jìn)行調(diào)制，最終得到CDMA調(diào)制后的低速數(shù)據(jù)流由相應(yīng)的天線發(fā)送。

PARC的實(shí)現(xiàn)機(jī)制

網(wǎng)側(cè)為每根發(fā)送天線選擇合適的調(diào)制和編碼方式（MCS），表1為網(wǎng)側(cè)可以選用的MCS集合的一個(gè)示例。網(wǎng)側(cè)選擇MCS的依據(jù)主要由終端反饋的發(fā)送天線的SINR決定，該SINR是通過(guò)終端上所有接收天線，并且對(duì)應(yīng)于某個(gè)特定發(fā)送天線的測(cè)量和，它包括同一根天線上的碼間干擾和來(lái)自其它天線上的空間干擾，或者是網(wǎng)側(cè)自己根據(jù)上行鏈路估計(jì)得到的下行發(fā)送天線的SINR。

分配給某個(gè)終端的物理資源包括發(fā)送天線、信道化碼和時(shí)隙，由于網(wǎng)側(cè)在任一時(shí)刻都要同時(shí)服務(wù)多個(gè)終端，而不支持MIMO技術(shù)的終端不能消除發(fā)端采用MIMO技術(shù)發(fā)送的符號(hào)間的干擾，因此不支持MIMO技術(shù)的終端不能和支持MIMO技術(shù)的終端在同一時(shí)隙接收數(shù)據(jù)。

PSRC

基于TD-SCDMA的MIMO技術(shù)采用碼復(fù)用方案還有另外一種控制速率的方法，稱為每流速率控制（PSRC）方案。

與PARC不同的是，PSRC方案把幾根天線組成一組，通過(guò)分集和賦形形成一個(gè)流，在接收端，把從每個(gè)發(fā)射數(shù)據(jù)流得到的對(duì)應(yīng)的SINR分別計(jì)算，然后得到的每個(gè)數(shù)據(jù)流要反饋的信道狀態(tài)指示（CQI）值，然后把CQI值反饋給發(fā)送端和這個(gè)數(shù)據(jù)流相對(duì)應(yīng)的那組天線；在發(fā)射端，不同天線組分別利用這個(gè)對(duì)應(yīng)的CQI信息來(lái)控制自己對(duì)應(yīng)的那組天線的發(fā)射功率，不同的組天線對(duì)應(yīng)的CQI信息不一定相同，因此下一幀發(fā)射的速率也不一定相同。

利用SA形成的MIMO陣列，把八根天線分成N組進(jìn)行速率控制就是PSRC，它還會(huì)根據(jù)上行鏈路的反饋信息把一組內(nèi)的天線進(jìn)行BF，這樣還可以提供賦形增益。特別當(dāng)每組天線數(shù)都為一時(shí)，PSRC即為PARC。

圖3是3GPP協(xié)議里給出的基于PSRC方案的8‘2雙波束賦形數(shù)據(jù)流傳輸場(chǎng)景。網(wǎng)側(cè)使用天線1到天線4組成第一組，通過(guò)分集和賦形形成一個(gè)數(shù)據(jù)流，天線5到天線8組成第二組，通過(guò)分集和賦形形成另一個(gè)數(shù)據(jù)流，分別從空口發(fā)出。

圖3 PSRC方案中雙波束賦形數(shù)據(jù)流傳輸

通過(guò)簡(jiǎn)要介紹MIMO技術(shù)以及與TD-SCDMA系統(tǒng)的結(jié)合應(yīng)用，研究TD-SCDMA演進(jìn)系統(tǒng)中的兩種MIMO技術(shù)的速率控制實(shí)現(xiàn)方案，我們了解到TD-SCDMA的演進(jìn)系統(tǒng)（如TDHSPA+和TD-LTE）采用MIMO技術(shù)，可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，為用戶的服務(wù)質(zhì)量提供保證，而且與智能天線技術(shù)形成了有效的補(bǔ)充，具有非常重要的意義。

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