多用户MIMO：下一代移动通信关键技术

摘要　文章从信道模型、收发两端的相关信号处理、网络调度三个方面介绍了多用户MIMO系统，特别是虚拟MIMO技术，接着介绍了跨层研究的概况，最后给出了相关技术的应用情况。

1、引言

多入多出（MIMO）技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一。目前，已经有不少关于点对点的单用户MIMO系统的研究。在实际应用中，系统往往需要一个基站（BS）同时和多个移动台（MS）进行通信，比如最常见的蜂窝系统和无线局域网（WLAN）等。因此，有关点对多点的多用户MIMO（Multi-user MIMO）系统（如图1所示）的研究也就应运而生，它比单用户MIMO更加复杂。

2、多用户MIMO系统

2.1　系统介绍

（1）信道模型

多用户MIMO上行链路通常被称作多址接入信道（MAC），下行链路则为广播信道（BC）。在上行链路中，所有用户工作在相同的频段上，向同一个基站发送信号，然后基站通过适当的方法来区分用户数据，主要问题是基站如何针对不同的多址接入方式采用阵列处理、多用户检测（MUD）或者其他有效方法来分离各个用户的数据。下行链路中，基站将通过处理的数据串并转换成多个数据流，每一路数据流经脉冲成形、调制，然后通过多根天线同时发送到无线空间，每一个接收天线接收到的是基站发送给所有通信用户的信号与干扰噪声的叠加，主要问题是如何消除由此带来的多址干扰（MAI）。

由于多用户MIMO系统中各用户的信道彼此独立，因此，用户一般能够知道自己的信道状态信息，却很难获得其他用户的信道信息，而获得其他用户信道信息需要付出很大的代价。也就是说用户之间很难进行协作。与此相反，基站有条件获得所有通信用户的信道状态信息，对于时分双工系统（TDD），这可由基站接收的上行链路的训练或者导频序列来获得，对于频分双工（FDD）系统则可以通过反馈获得。另外，基站的处理能力也要比移动台（MS）强得多，因此一般都是由基站在发射信号前做信号预处理（比如波束成形），以消除、抑制干扰或者在接收到信号之后进行后处理来区分用户。

与单用户MIMO不同的是，多用户MIMO系统的容量是一个多维的区域。假设总的发送功率一定，对于不同用户有可能分配不同的功率，从而产生许多不同的信息速率，结果就形成了以用户数目为维数的信道容量区域。例如，对于K个用户，信道容量区域则用K维的容量来表示。

（2）收发两端的信号处理

由于多用户MIMO系统使用同一频段，故可以应用除频分多址（FDMA）之外的其他多址接入方式。其中，时分多址（TDMA）频谱效率较低，码分多址（CDMA）需要消耗大量的码资源，而空分多址（SDMA）没有这两个缺点。同时，多用户MIMO的多天线也能够很好地满足空分多址对空间维数的要求，因此空分多址（SDMA）成为多用户MIMO系统的一种重要的多址方式。实际上，为了更好地抵抗衰落，往往需要同时考虑时间和空间两维，因此需要应用空时编码来构造码字。同时，空时译码算法和信道估计技术结合以获得分集增益和编码增益。

以多用户MIMO下行链路为例，其空时处理方法主要有线性和非线性两种。线性处理方法包括信道求逆法、块对角化（BD）算法等。非线性处理方法即污纸编码（DPC）主要有QR分解、网格编码等。

（3）网络调度

考虑实际网络的应用将引出很多与调度问题相关的问题。对于广播信道，当大量用户通过快速时变信道共享一个网络的时候，基站通过用智能调度算法改进信道。一种方法就是以系统吞吐量最大化为目标，即在用户信道容量达到最大的时候向其发射信息，这就需要考虑网络中哪些用户在某一时刻被组合在一起同时进行通信。用户组内利用空分多址接入，而组与组之间用其他接入方式，因此也必须考虑用户之间的空间相关性。

另外，如果要兼顾有效性和公平性，问题就更加复杂了，必须整体考虑，找一个折衷点。

2.2　存在的问题——复杂度与性能的折衷

虽然多用户通信的传统领域已经被充分研究过了，但在无线网络中引入多天线之后，问题又变得复杂起来了。多用户MIMO具有很多优点，比如利用多天线的复用增益来扩大系统的吞吐量，利用多天线的分集增益来提高系统性能，利用天线的方向性增益来区分用户而消除用户间的干扰等等。然而，如果联系实际应用的实现问题，则必须把算法实现的复杂度也考虑进来，需要在性能和复杂度之间找一个折衷点。复杂度可以说是多用户MIMO技术所带来的众多优点所必需付出的代价。前面提到的空时处理方法和网络调度都面临着同样的问题。

以空时处理为例。线性的空时处理方法复杂度比较低，但是性能较差，进一步迫近多用户信道的总容量，我们必须找到一种更好的处理方法，从这方面来说，DPC是个不错的选择，不过其编码复杂度又太高，实现起来不容易。再加上如果将高斯信道扩展到更加符合实际的时间和频率选择性信道，处理的复杂度也就更加高了。另外，目前多用户MIMO信道的大部分处理方法都是假设发射端和接收端完全知道信道状态信息（CSI），由于系统会有一定的处理时延，当信道变化剧烈的时候这实际上是很难得到的，因此还必须考虑得到的信道状态信息不够准确（ICSI）的情况。

2.3　虚拟MIMO

在多用户MIMO中，从实际出发，往往是假设各终端用户之间是没有协作的。对于多用户MIMO的上行链路，存在一种特殊的形式，即每个用户终端只有一个天线，但是它们之间存在一定协作的情况。WiMAX中已经采用了这种技术，并将其称为虚拟MIMO（Virtual MIMO）。

理想的MIMO多天线系统要求相邻天线之间的间距要远大于电波波长，并且多个收发天线之间的传输信道是不相关的，而由于质量、体积和功耗等的限制，移动终端很难实现多个天线的安置。于是Sendonaris等人提出了一种新的空域分集技术——协作分集，其基本原理是：每个单天线的移动终端都有一个或多个合作伙伴（Partner），它除了要传输自己的信息之外，还要负责传输其合作伙伴的信息。这样，相当于相互协作的移动终端共享了彼此的天线，构造了一个"虚拟"的MIMO，虚拟MIMO因此得名。在虚拟MIMO系统中，每个终端在传输信息的过程中既利用了自己又利用了其它终端的空间信道，从而获取了一定的空间分集增益，实现了单天线移动终端的空域分集。在平衰落环境下，虚拟MIMO可以扩大系统容量，提高网络服务质量，改善系统性能。

以无线蜂窝网络为例。基站由于功耗、体积限制更宽，处理能力更强，因此比移动台拥有更多的天线配置，而每个移动台鉴于质量、体积和功耗的限制，只有一个天线。考虑上行链路，对于每一个移动台来说，都是一个SIMO系统。倘若把多个移动台的发送联合起来，动态的将两个单天线发送的移动台配成一对，共享移动台之间的天线，进行虚拟的MIMO发送，这样2个MIMO信道具有较好正交性的移动台可以共享相同的时/频资源，从而提高上行系统的容量。移动台MS1除了要向基站传送自己的信息外，还要把从移动台MS2接收到的信息发送给基站BS。同时，MS1的一部分信息也由MS2接收，并转发给BS。这样，MS1与BS间就产生两条独立衰落路径：一条是MS1与BS之间的直接传输路径；另一条是MS1、MS2与BS间的间接传输路径，由此通过模仿传统的多发射天线分集来获得空间分集增益。基站可以通过干扰抵消，ML等联合检测技术，能有效的对抗多用户干扰。

Virtual MIMO技术目前已应用于Wi-Fi网络中，同时，它是WiMAX工业标准的一部分，也由3GPP WCDMA长期演化计划LTE和3GPP2 CDMA EV-DO版本C标准所规范。可以说，该技术为MIMO多天线技术走向实用提供了一条新的途径。该技术具备上述众多优点，同时，它也将在一定程度上影响现有的商业模式。由于系统中的用户之间需要相互合作，而不同用户各方面条件（终端、信道条件、业务种类等等）具有不对称性，协作过程中某特定用户的"所得"和"所失"可能并不平衡，这就需要配备相应的流量计费系统来进行均衡，根据统计的结果采取适当的方式对相对"得到"较多的用户进行收费，同时对"付出"较多的用户进行相应补偿。也只有这样才可以驱动用户为其他用户"付出"。

Virtual MIMO技术存在的主要问题是协作用户之间的同步问题以及安全问题。

3、跨层研究

现代无线通信网络采用分层协议模型，即物理层、链路层、网络层等。如果保持严格的模块化，也就是说每层只与相邻层通信，则网络效率较低，甚至可能产生负面影响。因此，跨层（Cross-layer）技术的概念被逐渐引进来，即利用层间的协同算法，处理不同协议层类似的问题，如安全性、服务质量（QoS）、移动性等等。媒体接入控制（MAC）层可以分配较长的信道占用时间给调质速率较低的链路，来满足吞吐量的限制；网络层的路由协议可以重传信息，以减小高速率下的拥塞；应用层可用编码解决不同路径的分集。跨层设计的重点是找出关键层以及次要层，其中，关键层即需要重点考虑的一层，次要层是指忽略该层之后系统所产生的性能损失能够达到最小的一层。目前，在多用户MIMO方面已有相关的研究，例如，物理层结构对数据链路层QoS的影响；MIMO自组织网络（Ad Hoc）中媒体接入控制（MAC）层和物理层（PHY）的跨层设计；多用户MIMO系统的跨层调度等等。

4、相关应用

多用户MIMO的典型应用就是多天线基站的无线通信，即多天线基站同时和多个移动台进行通信。另外，向多个移动台发送数据的多个蜂窝小区基站的协调也受到关注。

其实，许多发射终端能够合作而MIMO信道接收端却不能够协作的情形，都可以应用这种模型来分析。比如，每个用户存在线间串扰的DSL系统下行链路就是这样一种情形，基站合作的多包多接入信道，高速电路的片对片互联，以及频率选择性信道中用于多址接入的正交频率复用（OFDM）等等都可以。和蜂窝系统中的多径一样，在这些情形下，如果在发射和接收端进行适当的信号处理，串扰和衰落就能提供额外的分集度。

在多用户MIMO技术优势的驱动下，不少公司也逐渐将其推向市场。例如，Airgo Networks、ArrayComm和Vivato公司在802.11无线网络中发展了多天线技术。当与多个无线用户通信时，这种多天线接入点具备多用户MIMO的提高吞吐量、增强分集度以及减少干扰的潜力。

目前，虚拟MIMO技术已逐渐向着商品化的方向迈进。2006年10月，北电网络进行了业界首次利用虚拟MIMO技术的无线传输试验。这一技术可以帮助移动运营商大幅度增加宽带用户。对于4G运营商来说，这一技术意味着同样的投资可以换来更大的收入。2007年5月，诺基亚西门子合资公司目前已经与德国Fraunhofer电信研究所共同完成了虚拟多入多出技术（Virtual MIMO）的测试，大大提高手机数据传输速度，下一代无线高速LTE（长期演进）手机的数据上传速度能够达到108Mb/s。这些无疑都为运营商向4G移动通信技术演化提供了更加明确的途径。

5、结束语

多入多出（MIMO）技术已经成为下一代无线通信系统的关键技术之一，考虑到实际系统往往是一个基站（BS）同时和多个移动台（MS）进行通信的实际情况，多用户MIMO更加贴近实际。作为多用户MIMO技术中的特例，虚拟MIMO利用协作分集，更好地解决了终端的条件限制问题，为MIMO多天线技术走向实用提供了一条新的途径，使得MIMO技术大规模商用的可能性大大增加。