无线通信系统中的闭环MIMO技术综述

摘要

    多入多出（MIMO）技术被认为是下一代无线通信的关键技术之一，本文主要讨论能够进一步提升多天线系统容量的闭环MIMO技术，即带有反馈的MIMO系统。反馈的信道信息既可以提高单链路的传输性能，也可以优化多用户之间的调度问题。我们给出了几种在未来无线通信系统中可能采用的闭环MIMO方案，包括基于SVD分解和基于码本的预编码技术，分析并比较了它们的性能。仿真结果表明，闭环MIMO技术将有效地提高通信系统的性能。

1 引言

    采用多个发射和接收天线的多入多出（MIMO）技术是下一代无线通信的关键技术之一，它能有效利用随机衰落和可能存在的多径传播来提高传输速率。3G-LTE和WiMAX系统都采用了MIMO技术来提高其性能，IEEE802.16e和WCDMA的产品已经实现了MIMO系统的功能。

    MIMO系统的发射方案主要分为两种类型：最大化传输速率的空间复用方案（Spatial Multiplexing，SM）和最大化分集增益的空时编码方案（Space-Time Coding，STC）。空间复用主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用，如BLAST算法。空时编码如STBC和STTC空时算法等，可获得分集增益，但不能提高数据速率。

    以上两种方案的发射端都不需要信道信息（CSI），称之为开环MIMO系统。在信道变化较慢的场合，如大城市的室内环境和游牧式的接入服务，闭环MIMO系统能够进一步提升系统性能。闭环MIMO系统是接收端将信道信息反馈给发射端，然后对传输数据进行预编码、波束成型或者天线选择等操作。闭环MIMO的反馈方式又可以分为全反馈和部分反馈等。全反馈是将全部信道信息反馈给发射端，由于反馈链路要占用系统开销，在实际系统中，一般都采用部分反馈技术。例如反馈信道的统计特征值、SVD分解值、基于码本的码字序号等，实现性能和复杂度的权衡。

    在移动通信系统中，多径及多径时延扩展是移动通信中存在的主要问题。多径传播将导致信号严重衰落，时延扩展导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。为了克服无线信道中的衰落，OFDM技术也被引入下一代无线通信系统中，和MIMO技术相结合，组成下一代无线通信技术的物理层核心技术。

    本文主要讨论闭环MIMO技术，我们给出基于SVD分解的和基于码本的典型预编码方案，然后比较其复杂度和性能，最后给出仿真结果并讨论其在下一代无线通信网络中的应用。

2  系统模型

    如图1所示，具有Nt个发射天线和Nr个接收天线的MIMO系统模型可表示为：

    y=Hs+n              (1)

    其中y∈CNr×1，s∈CNt×1和n∈CNr×1分别表示接收符号、发射符号和和加性高斯噪声序列，H∈CNr×Nt为信道矩阵。

                               图1  MIMO系统结构图

 若发射端已知信道H的信息，可以对信道进行预编码（波束成形），以获得更好的传输性能。信道信息可由接收端反馈或者发送训练序列到发射端获得。这就是闭环MIMO系统，其一般结构如图2所示

                                            图2  闭环MIMO系统结构图

闭环MIMO系统的发射端的预编码处理是通过预编码矩阵P和发射数据相乘来实现的：

    y=HPs+n              (2)

    =（HP）-1y

    当发射端可以获得准确的信道信息时，最佳的传输方式可以通过信道矩阵的奇异值（SVD）分解来获得m（mr=UHy=UH（HVs+n）=UH（UDVH）   Vs+UHn=Ds+UHn            (3)

    r=Ds+UHn

    =D-1r

                                图3  闭环MIMO SVD结构图