MIMO技术及其在TD-SCDMA系统中的应用

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1．介绍
    随着无线通信系统的充分发展，语音业务已经不能够满足人们对高速数据业务的要求。提供网页浏览、多媒体数据传输以及其他类型的数据业务是发展无线通信系统和服务的一个重要目的。特别是，基于码分多址的第三代移动通信系统。虽然已经提出多种利用现有无线资源（诸如码道、时隙、频率等）提高数据传输速率的建议，但是其只不过是以语音容量换取数据容量的方法。随着MIMO的技术的出现，一种利用多个发射天线、多个接收天线进行高速数据传输的方法已经被提出，并成为未来无线通信技术发展的一种趋势。最早提出MIMO概念的是Telatar和Foschini，其中Foschini等人提出的BLAST结构是典型的利用MIMO技术进行空间多路复用的技术。已经证明，具有M个发射天线以及P个接收天线的MIMO系统，在P≥M的情况下几乎可以使得信道容量提高到原来的M倍。

传统的MIMO系统均是非扩频的系统，而第三代移动通信系统是基于CDMA技术的扩频系统。可以采用码复用（Code-Reuse）方式把MIMO技术与CDMA系统结合起来，从而有效地提高其高速下行分组接入（HSDPA）的总体数据速率。同样，TD-SCDMA系统也可以采用码复用的方式来应用MIMO技术，本文给出了一种TD-SCDMA系统的MIMO技术解决方案。这样，TD-SCDMA系统将既可以应用智能天线技术，也可以应用MIMO天线技术，本文将初步分析应用MIMO技术之后对智能天线技术的影响。

    2．MIMO技术概述

    MIMO技术大致可以分为两类：发射/接收分集和空间复用。传统的多天线被用来增加分集度从而克服信道衰落。具有相同信息的信号通过不同的路径被发送出去，在接收机端可以获得数据符号多个独立衰落的复制品，从而获得更高的接收可靠性。举例来说，在慢瑞利衰落信道中，使用1根发射天线n根接收天线，发送信号通过n个不同的路径。如果各个天线之间的衰落是独立的，可以获得最大的分集增益为n，平均误差概率可以减小到 ，单天线衰落信道的平均误差概率为 。对于发射分集技术来说，同样是利用多条路径的增益来提高系统的可靠性。在一个具有m根发射天线n根接收天线的系统中，如果天线对之间的路径增益是独立均匀分布的瑞利衰落，可以获得的最大分集增益为mn。

智能天线技术也是通过不同的发射天线来发送相同的数据，形成指向某些用户的赋形波束，从而有效的提高天线增益，降低用户间的干扰。广义上来说，智能天线技术也可以算一种天线分集技术。
    分集技术主要用来对抗信道衰落。相反，MIMO信道中的衰落特性可以提供额外的信息来增加通信中的自由度（degrees of freedom）。从本质上来讲，如果每对发送接收天线之间的衰落是独立的，那么可以产生多个并行的子信道。如果在这些并行的子信道上传输不同的信息流，可以提供传输数据速率，这被成为空间复用。需要特别指出的是在高SNR的情况下，传输速率是自由度受限的，此时对于m根发射天线n根接收天线，并且天线对之间是独立均匀分布的瑞利衰落的，信道容量为：

    其中 即为自由度。

    根据子数据流与天线之间的对应关系，空间多路复用系统大致分为三种模式：D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。

D-BLAST最先由贝尔实验室的Gerard J. Foschini提出。原始数据被分为若干子流，每个子流之间分别进行编码，但子流之间不共享信息比特，每一个子流与一根天线相对应，但是这种对应关系周期性改变，如图1.b所示，它的每一层在时间与空间上均呈对角线形状，称为D-BLAST（Diagonally- BLAST）。D-BLAST的好处是，使得所有层的数据可以通过不同的路径发送到接收机端，提高了链路的可靠性。其主要缺点是，由于符号在空间与时间上呈对角线形状，使得一部分空时单元被浪费，或者增加了传输数据的冗余。如图1.b所示，在数据发送开始时，有一部分空时单元未被填入符号（对应图中右下角空白部分），为了保证D-BLAST的空时结构，在发送结束肯定也有一部分空时单元被浪费。如果采用burst模式的数字通信，并且一个burst的长度大于M（发送天线数目）个发送时间间隔 ，那么burst的长度越小，这种浪费越严重。它的数据检测需要一层一层的进行，如图1.b所示：先检测c0、c1和c2，然后a0、a1和a2，接着b0、b1和b2……

    另外一种简化了的BLAST结构同样最先由贝尔实验室提出。它采用一种直接的天线与层的对应关系，即编码后的第k个子流直接送到第k根天线，不进行数据流与天线之间对应关系的周期改变。如图1.c所示，它的数据流在时间与空间上为连续的垂直列向量，称为V-BLAST（Vertical-BLAST）。由于V-BLAST中数据子流与天线之间只是简单的对应关系，因此在检测过程中，只要知道数据来自哪根天线即可以判断其是哪一层的数据，检测过程简单。

    考虑到D-BLAST以及V-BALST模式的优缺点，一种不同于D-DBLAST与V-BLAST的空时编码结构被提出：T-BLAST。等文献分别提及这种结构。它的层在空间与时间上呈螺纹（Threaded）状分布，如图2所示。原始数据流被多路分解为若干子流之后，每个子流被对应的天线发送出去，并且这种对应关系周期性改变，与D-BLAST系统不同的是，在发送的初始阶段并不是只有一根天线进行发送，而是所有天线均进行发送，使得单从一个发送时间间隔 来看，它的空时分布很像V-BALST，只不过在不同的时间间隔中，子数据流与天线的对应关系周期性改变。更普通的T-BLAST结构是这种对应关系不是周期性改变，而是随机改变。这样T-BLAST不仅可以使得所有子流共享空间信道，而且没有空时单元的浪费，并且可以使用V-BLAST检测算法进行检测。

    3．码复用方式

    随着第三代移动通信技术的发展，以及HSDPA对高速数据传输的需求。MIMO技术与CDMA系统结合的码复用（Code-reuse）方式被提出。所谓码复用方式是指通过多根天线上发送出去的不同数据层，采用的扩频码相同。这样每一层中多个CDMA码道上的数据可以依靠它们采用的不同的扩频码进行区分，共享同一个扩频码的不同层中的数据可以依靠它们经历的不同的空间信道的特性进行区分。码复用方式又可以进一步扩展为同码传输方式和异码传输方式。其中扩频码是信道化码和扰码的乘积，如果不同层上的数据采用的信道化码和扰码均相同，称为同码传输方式；如果不同层上的数据采用的信道化码不同或者扰码不同，称为异码传输方式。在码字资源较为丰富时，可以采用异码传输方式提高系统的整体性能。

一个典型的应用于WCDMA系统的码复用方式发射机结构图如下所示。

    高速率数据流被多路分解为MN个子数据流，M组子数据流中的第n个子流使用第n个扩谱码
（ ）。第m个子数据流（ ）通过第m根天线发送出去，这样共享同一个扩谱码的子数据流通过不同的天线被发送出去。

    所有M个共享同一个码的子数据流，可以在接收端通过它的空间特性以及多天线接收和空间信号处理技术被区分出来。信道估计可以通过M个正交的下行导频序列得到。共享同一个码的M个子数据流之间会产生空间多址干扰（MAI）。在平坦衰落信道中，使用不同的码的子数据流之间不会彼此影响，因为码与码之间是正交的，对于每一组使用相同的码的子数据流，可以使用多用户检测消除MAI的影响。比如最大似然（ML）检测器和V-BLAST检测器。因为最大似然检测器的复杂度与M呈指数关系，V-BLAST检测器是一个次优和低复杂度的选择。V-BLAST检测器包括两部分：线性变换和有序的连续干扰消除。线性变换可以使用迫零（ZF）准则或者最小均方误差（MMSE）准则消除MAI。线性变换之后具有最大SINR的编码符号被检测出来，并且把它从所有接收信号中减去。对于修订后的接收信号向量，继续使用线性变换和有序的连续干扰消除方法，进行信号提取，直到所有的子数据流被检测出来。最后MN个子数据流被多路合成为一个高速率的数据流，然后进行逆映射，解交织和解码。

    4．MIMO技术与TD-SCDMA系统的结合

    利用码道、时隙等无线资源的分配虽然可以达到提高传输速率的目的，但是它只是对现有资源的再分配，并没有增加额外的资源可供利用，所以其传输速率的提高是有限的。尤其是对于以高的频率效率著称的TD-SCDMA系统来说，由于其采用智能天线技术，基本上对于现有无线资源的利用已经很充分。因此为了大幅度的提高系统的传输速率，采用MIMO技术成为一种较好的选择。

    TD-SCDMA系统同样采用码复用方式与MIMO技术进行结合。假设发射天线数目为M，接收天线数目为P。一个时隙中的用户数据 首先按照天线个数被分解为L个子数据流，每一个子流被称为一层数据。这一层的全部数据均通过一根相应的发射天线发送出去，在发送之前，每一层数据再次被分为C组，并被分配到C个CDMA码道上。然后，每个码道上的数据分别进行编码、扩频、调制和加扰，并加入训练序列形成突发结构。最后，每一层数据中的C个码道进行合并得到一层的发送数据，并通过相对应的天线发送出去。当发送天线数目大于发送层的数目时，可以激活天线加权单元，从而通过加权处理使得层数据通过相应的天线发送出去。如下图所示。

    不同层上的数据可以使用相同扩频码传输或者不同扩频码传输。扩频码由信道化码和扰码共同构成，其中同码传输指不同的层上使用相同的信道化码和相同的扰码，异码传输包含多种情况，可以是信道化码不同但扰码相同，也可以是信道化码相同但扰码不同，或者它们的组合。其中约定，不同层上的数据采用相同的扩频系数Q，扩频系数可以从1、2、4、8、16中选择，并且不同层上分配的码道数目相同。为了在接收机端获得来自不同发射天线的信道冲激响应，每层需要分配不同的训练序列，即同一层的所有数据不论其来自哪一个用户、占用哪一个码道均使用同一个训练序列进行发送。不同层使用的训练序列由同一个基本训练序列通过偏移产生。

    TD-SCDMA系统中训练序列的主要作用是进行信道估计，在非MIMO的TD-SCDMA系统中，还可以通过训练序列附带额外的信息，使得在终端进行接收时，通过训练序列偏移值相关信息，获得其他用户的信道化码信息，从而进行多用户检测。它有通用（common）和缺省（default）两种方式，其中通用方式是指在基站下行发送时，所有码道使用相同的训练序列，并用该训练序列与基本训练序列之间的偏移值告知终端有多少信道化码在使用中；缺省方式是建立一种训练序列偏移值与信道化码之间的一一对应关系，每个码道使用不同偏移值的训练序列，终端在进行信道估计之后，通过这种对应关系获得所有用户的信道化码。

    那么在支持MIMO之后，原来两种分配方式势必要改变，这是因为训练序列必须与发射天线（层）相对应，而且训练序列还需附带层的序号信息，即告知接收机当前被检测层在发射机端处于所有层中的位置，以便多路合并时能够正确恢复出原始数据。除此之外，接收机还需要知道扰码信息和信道化码信息，以便进行多用户的检测。因此，对于应用MIMO技术的TD-SCDMA系统来说，其训练序列除了信道估计的作用之外，应该还具有如下三方面的作用：携带层序号信息；携带扰码分配信息；携带信道化码信息。

    5．MIMO技术与智能天线技术

    智能天线技术和MIMO技术在本质上是有区别的。智能天线技术是利用多根发送天线上发送相同的数据流，并且根据用户的具体来波方向进行加权，利用波束赋形为特定用户提供定向的波束，降低多址干扰。其主要目的是提高链路的可靠性，并且充分的利用现有CDMA信道。再使用智能天线技术之后，TD-SCDMA系统基本上可以上全码道工作。

而MIMO技术则是在不同的天线上发送不同的数据流，提供空间多路复用增益，提高整体的信道容量。在加上码复用方式的使用，使用MIMO技术的TD-SCDMA系统可以在原来16个码道的基础上额外增加码道数目，从而提高其整体的数据传输速率。

    智能天线技术和MIMO技术又是可以相互补充的。智能天线技术提供高的链路可靠性，MIMO技术提供高的信道容量，其目的和应用范围不同。智能天线技术要求空间信道具有较高的相关性，而MIMO技术则要求空间信道的相关性较小。这就决定了两者适用于不同的信道环境。一般来说，智能天线技术在室外等散射体较少的无线环境可以获得较好的性能，在室内等多散射体的无线环境则性能较差，MIMO技术恰恰比较适合于这种环境，它可以成为智能天线技术的有效补充，并使得TD-SCDMA支持更丰富的服务。

    6．展望

    随着MIMO技术的发展，以及第三代移动通信系统对高数据传输速率日益增长的需求，把MIMO技术应用TD-SCDMA系统中成为一种较好的选择。这不仅使得TD-SCDMA系统可以支持更高的数据传输速率，为其提供更丰富的服务提供了支持，而且与智能天线技术形成了有效的补充。