MIMO技術在3G演進系統(tǒng)中的應用方案

目前，我國的TD-SCDMA網絡已經具備了相當?shù)囊?guī)模，并且全面升級到HSDPA階段，能實際提供用戶下行最高2.8Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。然而隨著寬帶無線接入的出現(xiàn)，接入移動化、寬帶化的業(yè)務需求越來越旺盛，用戶對移動通信網絡的速率要求也越來越高，例如多方視頻會議、視頻點播等業(yè)務需要的數(shù)據(jù)速率經常高達100Mbit/s。MIMO技術的出現(xiàn)，使得大幅度提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率成為可能，在3GPP的標準化進程中，對MIMO技術的應用進行了長期的研究，MIMO技術已經成為3G演進系統(tǒng)的必選技術。

TD-SCDMA的演進

TD-SCDMA作為3G標準之一，經過近10年的發(fā)展，已經走過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），通過采用高階調制方式、快速調度和快速重傳機制增加系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸時延，提高峰值速率。TD-SCDMA的中長期演進，即HSPA+技術和LTE，HSPA+ 階段的數(shù)據(jù)速率將超過10Mbit/s，LTE階段的峰值數(shù)據(jù)速率能到達100Mbit/s。TD-LTE系統(tǒng)是TD-SCDMA在向IMT- Advanced系統(tǒng)演進過程中的過渡階段，目標是提供高數(shù)據(jù)速率、低時延和優(yōu)化分組數(shù)據(jù)應用，為3G系統(tǒng)向IMT-Advanced的平滑演進起到良好的鋪墊作用。

MIMO技術

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，多天線接收機利用空時編碼處理能夠分開并解碼數(shù)據(jù)子流，從而實現(xiàn)最佳處理。若各發(fā)射接收天線間的通道響應獨立，則MIMO系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間子信道，通過這些并行空間子信道獨立地傳輸信息，數(shù)據(jù)速率必然可以提高。研究表明，在散射豐富的無線環(huán)境中，MIMO技術將極大的提高信道容量，并且信道容量隨收發(fā)端最小天線個數(shù)的增加而近似線性增加。在通信系統(tǒng)中，通過采用MIMO技術，在空域上實現(xiàn)空間分集、空間復用和波束成形，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演進系統(tǒng)的關鍵技術也是必然趨勢。

圖1 3GPP中的MIMO接收機框圖

智能天線和 MIMO技術是多天線系統(tǒng)的兩個不同分支。智能天線利用信道的相關性以達到波束賦形的目的，能提高系統(tǒng)覆蓋，降低干擾；MIMO技術則利用信道的獨立性以達到多數(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技術相結合，系統(tǒng)能同時獲得空間分集和空間復用增益。這種新的天饋系統(tǒng)不但能提供智能天線所帶來的覆蓋增益，還能通過MIMO技術獲得的容量增益。

MIMO與CDMA結合的碼復用技術

隨著3G技術的飛速發(fā)展，以及3G演進過程中對高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，MIMO技術與CDMA系統(tǒng)結合的碼復用方式被提出。3GPP給出了空間復用MIMO處理技術中碼復用的實現(xiàn)過程。

每一個信道化碼/擾碼對可以調制到M（M為發(fā)送天線個數(shù)）個不同的數(shù)據(jù)流上。共享同一個信道化碼/擾碼對的數(shù)據(jù)流，可以通過它們的空間特征被區(qū)分出來。理論上講，MIMO系統(tǒng)碼復用的峰值吞吐量是SISO系統(tǒng)的M倍。如果SISO系統(tǒng)使用高階調制使得兩者獲得相同的數(shù)據(jù)速率，那么碼復用只需要更小的 SNR。傳統(tǒng)的單天線發(fā)射機把一個高速率數(shù)據(jù)流分解為N個低速率的子數(shù)據(jù)流。第n個子數(shù)據(jù)流使用第n個擴頻碼（n=1，2，L，M）進行擴頻，這N個子數(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個子數(shù)據(jù)流，M組子數(shù)據(jù)流中的第n個子流使用第n個擴頻碼 （n=1，2，L，M）；第m個子數(shù)據(jù)流（m=1，2，L，M）通過第m根天線發(fā)送出去，這樣共享同一個擴頻碼的子數(shù)據(jù)流通過不同的天線被發(fā)送出去。

在接收端，終端采用多天線和空間信號處理技術以區(qū)分使用同一個擴頻碼的M個子數(shù)據(jù)流。配備了P個天線的典型MIMO接收機如圖1所示。為實現(xiàn)連續(xù)檢測，終端必須獲知每一組收發(fā)天線對之間的復信道衰落值。對于平坦衰落信道而言，信道是由MP個復信道系數(shù)表征的；而對于頻率選擇性衰落信道而言，信道由 LMP個系數(shù)表征（L為RAKE接收機的指峰數(shù)）。對于這兩種信道，都可以通過計算接收到的信號與M個正交的導頻序列獲得信道估計值。在3G的MIMO系統(tǒng)接收端，一般用多用戶檢測器來解決MAI的問題，如ML多用戶檢測器以及V-BLAST多用戶檢測器。ML性能最優(yōu)，但是它具有高復雜度的缺點，其復雜度與M成指數(shù)增長。與ML多用戶檢測相比，V-BLAST是次優(yōu)的，但是其復雜度較低。因此，實際中接收端常采用V-BLAST檢測。

V-BLAST檢測器主要包括兩部分：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）準則或者MMSE準則來消除MAI。線性變換之后，具有最大信號干擾噪聲比（SINR）的編碼符號被檢測出來，并且把它從所有接收信號中去除。對于修正后的接收信號向量，繼續(xù)使用線性變換和OSIC方法，進行信號提取，直到所有的子數(shù)據(jù)流被檢測出來。被檢測出來的共計MN個子數(shù)據(jù)流通過多路復用器，最終形成一個高速率的數(shù)據(jù)流，然后再進行后續(xù)的信號處理，例如，反映射、解交織和譯碼等。

MIMO在TD-SCDMA演進系統(tǒng)中的解決方案

當發(fā)送端能準確及時地獲知信道狀態(tài)信息（CSI）時，發(fā)送端可以通過信道矩陣的奇異值分解（SVD）對每根天線上的發(fā)射功率進行最優(yōu)分配，使得系統(tǒng)總體性能最優(yōu)。在實際通信系統(tǒng)中，無線信道隨著環(huán)境和噪聲的改變發(fā)生快速的變化，發(fā)送端很難及時獲得完全準確的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現(xiàn)性。

PARC

基于TD-SCDMA的MIMO技術采用碼復用方案的同時還可以對每根天線發(fā)送的數(shù)據(jù)速率進行控制，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)流的調制編碼都是獨立的，網側根據(jù)終端上報的反饋信息或者是上行鏈路的測量信息（TDD系統(tǒng)上下行鏈路的對稱性）來決定每根發(fā)送天線上數(shù)據(jù)流的調制編碼方式。如果某根天線對應的信道質量太差，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基本物理層結構

圖2 PARC方案中的HS-DSCH的基本物理層結構PARC的實現(xiàn)機制

圖2給出了PARC方案中的HS-DSCH的基本物理層結構。一個高速率數(shù)據(jù)流被解復用為最多為NT（NT為發(fā)送端天線數(shù)）個低速的數(shù)據(jù)流。每個低速的數(shù)據(jù)流單獨進行編碼、交織和調制。由于每個低速的數(shù)據(jù)流采用的編碼調制方式不一定相同，因此所承載的信息比特數(shù)也不一定相同。對于某個低速的數(shù)據(jù)流包含的符號由相應的發(fā)送天線發(fā)送至空口。其中每個低速的數(shù)據(jù)流再次被分解至C個子流，其中C代表終端實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信道化碼擴頻后疊加，再使用擾碼進行調制，最終得到CDMA調制后的低速數(shù)據(jù)流由相應的天線發(fā)送。

PARC的實現(xiàn)機制

網側為每根發(fā)送天線選擇合適的調制和編碼方式（MCS），表1為網側可以選用的MCS集合的一個示例。網側選擇MCS的依據(jù)主要由終端反饋的發(fā)送天線的SINR決定，該SINR是通過終端上所有接收天線，并且對應于某個特定發(fā)送天線的測量和，它包括同一根天線上的碼間干擾和來自其它天線上的空間干擾，或者是網側自己根據(jù)上行鏈路估計得到的下行發(fā)送天線的SINR。

分配給某個終端的物理資源包括發(fā)送天線、信道化碼和時隙，由于網側在任一時刻都要同時服務多個終端，而不支持MIMO技術的終端不能消除發(fā)端采用MIMO技術發(fā)送的符號間的干擾，因此不支持MIMO技術的終端不能和支持MIMO技術的終端在同一時隙接收數(shù)據(jù)。

PSRC

基于TD-SCDMA的MIMO技術采用碼復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，通過分集和賦形形成一個流，在接收端，把從每個發(fā)射數(shù)據(jù)流得到的對應的SINR分別計算，然后得到的每個數(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)送端和這個數(shù)據(jù)流相對應的那組天線；在發(fā)射端，不同天線組分別利用這個對應的CQI信息來控制自己對應的那組天線的發(fā)射功率，不同的組天線對應的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組進行速率控制就是PSRC，它還會根據(jù)上行鏈路的反饋信息把一組內的天線進行BF，這樣還可以提供賦形增益。特別當每組天線數(shù)都為一時，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)流傳輸場景。網側使用天線1到天線4組成第一組，通過分集和賦形形成一個數(shù)據(jù)流，天線5到天線8組成第二組，通過分集和賦形形成另一個數(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

通過簡要介紹MIMO技術以及與TD-SCDMA系統(tǒng)的結合應用，研究TD-SCDMA演進系統(tǒng)中的兩種MIMO技術的速率控制實現(xiàn)方案，我們了解到TD-SCDMA的演進系統(tǒng)（如TDHSPA+和TD-LTE）采用MIMO技術，可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，為用戶的服務質量提供保證，而且與智能天線技術形成了有效的補充，具有非常重要的意義。

責任編輯：gt