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MIMO技术在TD演进系统中的应用研究

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来源: 作者: 2019-03-13 11:33:36

目前,我国的TD-SCDMA络已经具备了相当的规模,并且全面升级到HSDPA阶段,能实际提供用户下行最高2.8Mbit/s的数据速率。然而随着宽带无线接入的出现,接入移动化、宽带化的业务需求越来越旺盛,用户对移动通信络的速率要求也越来越高,例如多方视频会议、视频点播等业务需要的数据速率经常高达100Mbit/s。MIMO技术的出现,使得大幅度提高系统数据速率成为可能,在3GPP的标准化进程中,对MIMO技术的应用进行了长期的研究,MIMO技术已经成为3G演进系统的必选技术。

TD-SCDMA的演进

TD-SCDMA作为3G标准之一,经过近10年的发展,已经走过了第一阶段即单载波和多载波TD-SCDMA。目前TD-SCDMA正处于短期演进阶段,主要包括引入高速下行分组接入(HSDPA)和高速上行分组接入(HSUPA),通过采用高阶调制方式、快速调度和快速重传机制增加系统吞吐量,减少传输时延,提高峰值速率。TD-SCDMA的中长期演进,即HSPA+技术和LTE,HSPA+阶段的数据速率将超过10Mbit/s,LTE阶段的峰值数据速率能到达100Mbit/s。TD-LTE系统是TD-SCDMA在向IMT-Advanced系统演进过程中的过渡阶段,目标是提供高数据速率、低时延和优化分组数据应用,为3G系统向IMT-Advanced的平滑演进起到良好的铺垫作用。

MIMO技术

MIMO系统在发射端和接收端均采用多天线(或阵列天线)和多通道,多天线接收机利用空时编码处理能够分开并解码数据子流,从而实现最佳处理。若各发射接收天线间的通道响应独立,则MIMO系统可以创造多个并行空间子信道,通过这些并行空间子信道独立地传输信息,数据速率必然可以提高。研究表明,在散射丰富的无线环境中,MIMO技术将极大的提高信道容量,并且信道容量随收发端最小天线个数的增加而近似线性增加。在通信系统中,通过采用MIMO技术,在空域上实现空间分集、空间复用和波束成形,系统性能和传输能力能够得到很大提高。由于MIMO可以提高系统容量和频谱效率,因此将它作为TD-SCDMA演进系统的关键技术也是必然趋势。

图1 3GPP中的MIMO接收机框图

智能天线和MIMO技术是多天线系统的两个不同分支。智能天线利用信道的相关性以达到波束赋形的目的,能提高系统覆盖,降低干扰;MIMO技术则利用信道的独立性以达到多数据流并行传输的目的,能提高系统的容量。如果将智能天线与MIMO技术相结合,系统能同时获得空间分集和空间复用增益。这种新的天馈系统不但能提供智能天线所带来的覆盖增益,还能通过MIMO技术获得的容量增益。

MIMO与CDMA结合的码复用技术

随着3G技术的飞速发展,以及3G演进过程中对高速数据传输的需求,MIMO技术与CDMA系统结合的码复用方式被提出。3GPP给出了空间复用MIMO处理技术中码复用的实现过程。

每一个信道化码/扰码对可以调制到M(M为发送天线个数)个不同的数据流上。共享同一个信道化码/扰码对的数据流,可以通过它们的空间特征被区分出来。理论上讲,MIMO系统码复用的峰值吞吐量是SISO系统的M倍。如果SISO系统使用高阶调制使得两者获得相同的数据速率,那么码复用只需要更小的SNR。传统的单天线发射机把一个高速率数据流分解为N个低速率的子数据流。第n个子数据流使用第n个扩频码(n=1,2,L,M)进行扩频,这N个子数据流被合并、加扰并发送出去。而在MIMO系统的发送端,高速率数据流被分解为MN个子数据流,M组子数据流中的第n个子流使用第n个扩频码(n=1,2,L,M);第m个子数据流(m=1,2,L,M)通过第m根天线发送出去,这样共享同一个扩频码的子数据流通过不同的天线被发送出去。

在接收端,终端采用多天线和空间信号处理技术以区分使用同一个扩频码的M个子数据流。配备了P个天线的典型MIMO接收机如图1所示。为实现连续检测,终端必须获知每一组收发天线对之间的复信道衰落值。对于平坦衰落信道而言,信道是由MP个复信道系数表征的;而对于频率选择性衰落信道而言,信道由LMP个系数表征(L为RAKE接收机的指峰数)。对于这两种信道,都可以通过计算接收到的信号与M个正交的导频序列获得信道估计值。在3G的MIMO系统接收端,一般用多用户检测器来解决MAI的问题,如ML多用户检测器以及V-BLAST多用户检测器。ML性能最优,但是它具有高复杂度的缺点,其复杂度与M成指数增长。与ML多用户检测相比,V-BLAST是次优的,但是其复杂度较低。因此,实际中接收端常采用V-BLAST检测。

V-BLAST检测器主要包括两部分:线性变换和排序连续干扰相消。线性变换可以使用迫零(ZF)准则或者MMSE准则来消除MAI。线性变换之后,具有最大信号干扰噪声比(SINR)的编码符号被检测出来,并且把它从所有接收信号中去除。对于修正后的接收信号向量,继续使用线性变换和OSIC方法,进行信号提取,直到所有的子数据流被检测出来。被检测出来的共计MN个子数据流通过多路复用器,最终形成一个高速率的数据流,然后再进行后续的信号处理,例如,反映射、解交织和译码等。

MIMO在TD-SCDMA演进系统中的解决方案

当发送端能准确及时地获知信道状态信息(CSI)时,发送端可以通过信道矩阵的奇异值分解(SVD)对每根天线上的发射功率进行最优分配,使得系统总体性能最优。在实际通信系统中,无线信道随着环境和噪声的改变发生快速的变化,发送端很难及时获得完全准确的CSI,因此研究在获知有限CSI下如何提高系统性能的MIMO解决方案变得极具意义。目前被广泛认可的方案有:每天线速率控制(PARC)和每流速率控制(PSRC),都具有较高的系统性能和终端接收处理的可实现性。

PARC

基于TD-SCDMA的MIMO技术采用码复用方案的同时还可以对每根天线发送的数据速率进行控制,即为PARC方案。PARC方案的原理是每根发送天线上发送的数据流的调制编码都是独立的,侧根据终端上报的反馈信息或者是上行链路的测量信息(TDD系统上下行链路的对称性)来决定每根发送天线上数据流的调制编码方式。如果某根天线对应的信道质量太差,甚至于不能支持最低的数据速率,则这根天线将不发送数据,因此,选择发送是PARC的一种特殊情况。

PARC中的HS-DSCH基本物理层结构

图2 PARC方案中的HS-DSCH的基本物理层结构PARC的实现机制

图2给出了PARC方案中的HS-DSCH的基本物理层结构。一个高速率数据流被解复用为最多为NT(NT为发送端天线数)个低速的数据流。每个低速的数据流单独进行编码、交织和调制。由于每个低速的数据流采用的编码调制方式不一定相同,因此所承载的信息比特数也不一定相同。对于某个低速的数据流包含的符号由相应的发送天线发送至空口。其中每个低速的数据流再次被分解至C个子流,其中C代表终端实际接入能力定义的最大HS-PDSCH数目。这些子流分别使用不同的OVSF信道化码扩频后叠加,再使用扰码进行调制,最终得到CDMA调制后的低速数据流由相应的天线发送。

PARC的实现机制

侧为每根发送天线选择合适的调制和编码方式(MCS),表1为侧可以选用的MCS集合的一个示例。侧选择MCS的依据主要由终端反馈的发送天线的SINR决定,该SINR是通过终端上所有接收天线,并且对应于某个特定发送天线的测量和,它包括同一根天线上的码间干扰和来自其它天线上的空间干扰,或者是侧自己根据上行链路估计得到的下行发送天线的SINR。

分配给某个终端的物理资源包括发送天线、信道化码和时隙,由于侧在任一时刻都要同时服务多个终端,而不支持MIMO技术的终端不能消除发端采用MIMO技术发送的符号间的干扰,因此不支持MIMO技术的终端不能和支持MIMO技术的终端在同一时隙接收数据。

PSRC

基于TD-SCDMA的MIMO技术采用码复用方案还有另外一种控制速率的方法,称为每流速率控制(PSRC)方案。

与PARC不同的是,PSRC方案把几根天线组成一组,通过分集和赋形形成一个流,在接收端,把从每个发射数据流得到的对应的SINR分别计算,然后得到的每个数据流要反馈的信道状态指示(CQI)值,然后把CQI值反馈给发送端和这个数据流相对应的那组天线;在发射端,不同天线组分别利用这个对应的CQI信息来控制自己对应的那组天线的发射功率,不同的组天线对应的CQI信息不一定相同,因此下一帧发射的速率也不一定相同。

利用SA形成的MIMO阵列,把八根天线分成N组进行速率控制就是PSRC,它还会根据上行链路的反馈信息把一组内的天线进行BF,这样还可以提供赋形增益。特别当每组天线数都为一时,PSRC即为PARC。

图3是3GPP协议里给出的基于PSRC方案的8'2双波束赋形数据流传输场景。侧使用天线1到天线4组成第一组,通过分集和赋形形成一个数据流,天线5到天线8组成第二组,通过分集和赋形形成另一个数据流,分别从空口发出。

图3 PSRC方案中双波束赋形数据流传输

通过简要介绍MIMO技术以及与TD-SCDMA系统的结合应用,研究TD-SCDMA演进系统中的两种MIMO技术的速率控制实现方案,我们了解到TD-SCDMA的演进系统(如TDHSPA+和TD-LTE)采用MIMO技术,可以支持更高的数据传输速率,为用户的服务质量提供保证,而且与智能天线技术形成了有效的补充,具有非常重要的意义。

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