第1部分 多天线技术概论

第1章 多天线技术发展背景

高速无线数据接入业务与用户数量的迅速增长，需要更高速率、更大容量的无线链路的支持，而决定无线链路传输效能的最根本因素在于信道容量。然而单纯以增加带宽、功率的方式来扩展信道容量是不切实际的。E.Telatar与G.J.Foshini通过对多天线信息理论的深入研究证明，在无线通信链路的收、发两端均使用多个天线的通信系统所具有的信道容量，将远远超越香农（Shannon）于1948年给出的SISO（Single Input Single Output，单输入单输出）系统信息传输能力极限。MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）信息理论的出现突破了传统技术传输能力的瓶颈，展现了MIMO技术在未来高速无线接入系统中的广阔应用前景。多天线信息理论为空时编码技术提供了坚实的理论基础并拓展了诸多新研究领域，例如多天线信息与编码理论、多天线信道模型、MIMO天线设计、支持多天线通信系统的信令、网络结构设计以及MIMO与OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）、Relay、协作通信的结合等多方面。

MIMO系统是指收、发两端均使用多个天线的无线传输系统，不同的天线对应不同的空间位置或者极化状态，这样信号与编码的设计被扩展到了时间与空间的二维集合之中，可以通过空间与时间二维对信号的发送与接收进行优化，以获得更高的传输效率及更高的可靠性。可以说MIMO技术的核心思想就是通过空时联合的处理方式，利用多径环境的随机衰落，甚至包括由此引起的时延扩展等因素来获得远高于传统SISO系统的信道容量。而MIMO系统中信号的发送是一个由输入信息比特向空间位置与时隙确定的二维空间映射的过程，因此往往将这种映射关系所对应的编码与信号设计方法统称为空时编码（Space-Time Coding）。基于不同的空时编码方案设计策略，各个发送天线上的信号可能完全独立，以获得成倍增长的数据传输速率或频带利用率。同时各个天线与时隙上的信号也可能在一个或多个空时码字矩阵中部分、甚至完全冗余，以尽可能获得较高的分集或编码增益，提高数据传输的可靠性。

如上所述，利用多天线引入的信号在空间维的自由度，通过与时域、频域的联合处理以及与信道编码的结合，MIMO信道中的多个子信道可用于并行数据的传输以提高传输速率，也可以用于提高信息传输的可靠性。在不同的应用场景中针对不同的优化目标，实际系统中采用的MIMO技术大致可以分为空间复用、发射分集、波束赋形以及多用户MIMO。

空间复用技术可以支持多个数据流的并行传输，可以大大地提高数据的峰值速率和传输效率。MIMO信道所能支持的数据流数量取决于信道的空间相关性以及信噪比情况，因此空间复用技术主要适用于传播环境中散射体较丰富且信道质量较好的场景。为了避免将有限的发射功率馈送至传输能力较差的子信道，发射机需要根据信道条件动态地调整发送的数据流数量，这一过程称为Rank自适应。此外如果发射机能够通过反馈或者利用信道互易性获得更充分的信道状态信息，并且信道的变化速度相对于反馈与传输时延较慢，还可以通过预编码的方式对发送信号进行优化，使其空间特性与信道更加匹配。

与空间复用技术以提高传输效率为主要目标相比较，发射分集技术则侧重于利用多天线带来的自由度提高信号的抗衰落性能和传输的稳健性。在TD-LTE系统中，发射分集不仅作为恶劣环境下一种可靠的传输方案，也作为一种备份方式用于传输模式（Transmission Mode，TM）切换过程中的过渡阶段（因为过渡过程中因高层信令交互时间较长往往会有一段时间传输可靠性下降）。实际使用的发射分集方案主要有两种：第一种方案利用空域、时域及频域的联合编码，通过特殊的信号设计形式在空域、时域及频域引入冗余度，使接收端获得历经不同衰落的发送信息的多个冗余版本，以此保证合并后的信号具有较小的波动（较低的方差）；另一种方案则依赖于信道编码引入冗余，通过天线切换或对预编码方式的随机调整使等效信道具有一定的时域或频域选择性，在信道译码过程中可以通过对冗余信息的合并而获得分集增益。需要说明的是，在实际应用中上述两种方案可以结合使用。

波束赋形技术是一种天线信号预处理技术，发射机根据信道状态信息对各阵元的加权系数的调整，使得功率集中在期望的方向性的波束内，以此实现接收SINR（Signal-to-Interference plus Noise Ratio，信号与干扰加噪声比）的提高并降低对其他用户的干扰。一般的波束赋形技术特指基于小间距天线阵列（阵元间距λ/2）的线性预处理技术。从信号处理角度来看，波束赋形与预编码都属于阵列信号的预处理技术，它们所使用的算法和阵列形式可以是完全相同的，而波束赋形技术在无线接入网中也并非仅限于单流传输，因此二者并没有本质差异。

波束赋形一个重要的应用是利用空间选择性支持SDMA（Spatial Division Multiple Access，空分复用接入）。受限于应用场景和终端的尺寸及天线数量，单个用户往往难以支持高Rank数据传输。而当系统的用户数较多时，一般基站总是可以找到信道空间独立性较强的两个用户，这时如果基站配备多天线，则可以利用波束赋形的信号空间隔离度实现对多个用户的并行传输，即MU-MIMO技术。上行MU-MIMO中，由于基站能够获得多个用户的信道信息以及MCS（Modulation & Coding Scheme，调制与编码策略），因此基站可以采用一些相对复杂的接收处理算法抑制用户之间的干扰。但是在下行MU-MIMO传输中，各用户很难获取其他用户的信道及MCS信息，因此往往无法支持较为复杂的检测算法。相对于SU-MIMO而言，下行MU-MIMO需要依靠更优化的调度算法选择相互耦合较小的用户进行调度，同时也需要更加准确的信道信息以及更灵活的预编码机制以保证在基站侧能够有效地抑制用户之间的干扰。

无论对于单天线或多天线系统，准确而及时的CSI（Channel State Information，信道状态信息）都对传输质量、传输效率、干扰协调能力以及调度性能的提升具有重要意义。对于中低移动速度的UE，由于信道变化较慢，利用当前或过去信道信息可以较好地预测短时间内下一次传输时的信道状态，因此往往采用闭环传输方案；而高速移动用户因信道变化剧烈而一般采用开环技术。因此，CSI的获取机制以及发射机对CSI的利用方式的选择是TD-LTE系统设计中的重要一环。

下行CSI的获取可以通过UE测量导频信号并反馈给基站的方式实现；上行CSI的获取可以通过基站对UE发送数据信道或者SRS的测量实现。相对来说，MU-MIMO对信道信息的准确性比SU-MIMO敏感。测量并反馈的CSI获取方式可以同时适用于TDD和FDD系统，对于TDD系统，由于上下行使用相同的载频，TDD系统也可以通过信道互易性的方式获得CSI。对于FDD系统，虽然也可以利用信道中长期统计特性的对称性获取下行CSI，但是瞬时或短期CSI只能通过终端的上报获得。如果基站能够及时地获得准确且完整的信道矩阵，则基站可以根据一定的优化准则直接计算出与信道传输特性匹配的预编码矩阵，因此TDD系统对于非码本预编码方法的应用具有较为突出的优势。非码本方式的预编码可以避免量化精度的损失，并可以灵活地选择预编码矩阵，但是预编码的频域和时域颗粒度可能会对性能带来较为显著的影响。另外需要说明的是，如果利用互易性获取瞬时或短期CSI，则需要对射频链路的收/发对称性进行校准；如果终端的发射机数量少于接收机数量，则必须通过天线切换或其他方式使基站获得完整的CSI。