MIMO中的波束成形方式与智能天线系统中的波束成形类似,在发射端将待发射数据矢量加权,形成某种方向图后到达接收端,接收端再对收到的信号进行上行波束成形,抑制噪声和干扰。
与常规智能天线不同的是,原来的下行波束成形只针对一个天线,现在需要针对多个天线。通过下行波束成形,使得信号在用户方向上得到加强,通过上行波束成形,使得用户具有更强的抗干扰能力和抗噪能力。因此,和发分集类似,可以利用额外的波束成形增益提高通信链路的可靠性,也可在同样可靠性下利用高阶调制提高数据率和频谱利用率。
典型的波束成形可以有以下两种分类方式:
1.按照信号的发射方式分类:
● 传统波束成形:当信道特征值只有一个或只有一个接收天线时,沿特征向量发射所有的功率实现波束成形。
● 特征波束成形(Eigen-beamforming):对信道矩阵进行特征值分解,信道将转化为多个并行的信道,在每个信道上独立传输数据。
2.按反馈的信道信息分类:
● 瞬时信道信息反馈
● 信道均值信息反馈
● 信道协方差矩阵反馈
上行天线选择
对于FDD模式,存在开环和闭环两种天线选择方案。开环方案即UMTS系统中的时间切换传输分集(TSTD)。在开环方案中,上行共享数据信道在天线间交替发送,这样可以获得空间分集,从而避免共享数据信道的深衰落。在闭环天线选择方案中,UE必须从不同的天线发射参考符号,用于在基站侧提前进行信道质量测量,基站选址可以提供更高接收信号功率的天线,用于后续的共享数据信道传输,被选中的天线信息需要通过下行控制信道反馈给目标UE,最后,UE使用被选中的天线进行上行共享数据信道传输。
对于TDD模式,可以利用上行与下行信道之间的对称性,这样,上行天线选择可以基于下行MIMO信道估计来进行。
一般来讲,最优天线选择准则可分为两种:一种是以最大化多天线提供的分集来提高传输质量;另一种是以最大化多天线提供的容量来提高传输效率。
与传统的单天线传输技术相比,上行天线选择技术可以提供更多的分集增益,同时保持着与单天线传输技术相同的复杂度。从本质上看,该技术是以增加反馈参考信号为代价而取得了信道容量提升。
上行多用户MIMO
对于LTE系统上行链路,在每个用户终端只有一个天线的情况下,如果把两个移动台合起来进行发送,按照一定方式把两个移动台的天线配合成一对,它们之间共享配对的两天线,使用相同的时/频资源,那么这两个移动台和基站之间就可以构成一个虚拟MIMO系统,从而提高上行系统的容量。由于在LTE系统中,用户之间不能互相通信,因此,该方案必须由基站统一调度。
用户配对是上行多用户MIMO的重要而独特的环节,即基站选取两个或多个单天线用户在同样的时/频资源块里传输数据。由于信号来自不同的用户,经过不同的信道,用户间互相干扰的程度不同,因此,只有通过有效的用户配对过程,才能使配对用户之间的干扰最小,进而更好地获得多用户分集增益,保证配对后无线链路传输的可靠性及健壮性。目前已提出的配对策略如下。
● 正交配对:选择两个信道正交性最大的用户进行配对,这种方法可以减少用户之间的配对干扰,但是由于搜寻正交用户计算量大,所以复杂度太大。
● 随机配对:这种配对方法目前使用比较普遍,优点是配对方式简单,配对用户的选择随机生成,复杂度低,计算量小。缺点是对于随机配对的用户,有可能由于信道相关性大而产生比较大的干扰。
● 基于路径损耗和慢衰落排序的配对方法:将用户路径损耗加慢衰落值的和进行排序,对排序后相邻的用户进行配对。这种配对方法简单,复杂度低,在用户移动缓慢、路径损耗和慢衰落变化缓慢的情况下,用户重新配对频率也会降低,而且由于配对用户路径损耗加慢衰落值相近,所以也降低了用户产生“远近”效应的可能性。缺点是配对用户信道相关性可能较大,配对用户之间的干扰可能比较大。
综上,MIMO传输方案的应用可以概括为下表:
传输方案 |
秩 |
信道相关性 |
移动性 |
数据速率 |
在小区中的位置 |
发射分集(SFBC) |
1 |
低 |
高/中速移动 |
低 |
小区边缘 |
开环空间复用 |
2/4 |
低 |
高/中速移动 |
中/低 |
小区中心/边缘 |
双流预编码 |
2/4 |
低 |
低速移动 |
高 |
小区中心 |
多用户MIMO |
2/4 |
低 |
低速移动 |
高 |
小区中心 |
码本波束成形 |
1 |
高 |
低速移动 |
低 |
小区边缘 |
非码本波束成形 |
1 |
高 |
低速移动 |
低 |
小区边缘 |
理论上,虚拟MIMO技术可以极大低提高系统吞吐量,但是实际配对策略以及如何有效地为配对用户分配资源的问题,都会对系统吞吐量产生很大的影响。因此,需要在性能和复杂度两者之间取得一个良好的折中,虚拟MIMO技术的优势才能充分发挥出来。