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多功能MIMO系统：一种联合分集与复用的设计角度
摘要
在这篇论文中，我们研究不同的多输入多输出方案的设计选择，同时考虑到可实现的分集增益，复用增益和波束形成增益。在对不同 MIMO 方案进行简要分类后，将不同的 MIMO 方案分为分集技术、多路复用方案、多址技术和波束形成技术。我们介绍了多功能MIMO。这些多功能 MIMO 能够结合多个 MIMO 方案的优点，从而在误码率和吞吐量方面获得更好的性能。多功能 MIMO 结合了空时编码和贝尔实验室分层时空方案以及波束形成的优势。我们也引入了分层的空时传播思想，它结合了空时传播、 V-BLAST的优势 、并与广义多载波直接序列码分多址概念相结合。此外，我们比较了不同 MIMO 方案的可实现的分集、复用和波束形成增益，以记录多功能 MIMO比传统 MIMO 方案的优势。
多输入多输出系统的分类
最近，人们对能够支持互联网爆炸式扩展和高速多媒体无线业务的灵活、高带宽的收发器有着迫切的需求。信道编码的进步使得在配备单个天线的系统可以达到接近香农容量极限，但幸运的是，这些容量极限可以借助多个天线进一步扩展。近年来，多输入多输出 (MIMO) 系统受到了广泛的研究关注，被认为是当代通信领域最重要的技术突破之一。
明确地说，MIMO 方案可以分为分集技术、复用方案、多址方法、波束形成以及多功能 MIMO 方式, 如图 1 所示，分集是接收机接收相同传输信号的多个副本的技术，同时假设至少其中一些信号副本没有严重衰减。空间分集可以通过在发射机或接收器使用多个天线来实现。多个天线可用于传输和接收相同信息序列的适当编码副本，以实现分集，从而获得改进的误码率 (BER) 性能。另一方面，复用技术的设计是为了通过独立的发送天线来传输信号，提高系统的频谱效率。在分集和复用技术的背景下，天线间隔尽可能远，以便不同天线传输或接收的信号经历相互独立的衰落, 从而我们可以获得尽可能高的分集或复用增益。此外，多天线可以用于在接收端提高信噪比或者在多用户场景中提高输出信号干扰噪声比。这可以通过采用波束形成技术来实现，即天线增益在所需用户的方向上增加，同时减少对干扰用户的增益。
图 1 MIMO技术分类
一个简单的不涉及任何带宽损失的空间分集技术，是由多个接受天线构成的，在接收端可以使用几种技术合并独立衰落的信号副本。在窄带频率平坦衰落的情况下，组合输出信噪比最大化的最佳组合策略是最大比合并 (MRC)。此外，文献中还提出了其他组合技术，如图 1 所示，包括等增益组合 (EGC) 和选择组合 (SC)。这三种组合技术都被认为是为了实现完全分集增益，分集增益这等于接收天线的数量。
另一方面， 如图 1，在文献 [2-5] 中也提出了几种发送分集而不是接收分集技术。在文献[2]中 Alamouti 提出了一种巧妙的使用两个发送天线的发送分集技术，其主要优点是利用低复杂度的单接收天线检测，从而避免了多个符号更复杂的联合检测。在 文献[2] 中提出的解码算法可以使用 MRC，EGC，或 SC技术实现任意数量的接收天线的接收 。Alamouti 的研究成果启发了Tarokh等人。在文献[3] 他们将Alamouti 发射分集方案的概念推广到两个以上的发射天线，提出了正交空时分组码（OSTBCs）的广义概念。OSTBCs 码能够在使用相同数量的发射天线时以及译码复杂度较低的情况下获得与空时网格码 (STTC) 相同的分集增益。然而，与 STTCs 相比，OSTBCs 的一个缺点是它采用了简单的重复编码，因此不提供编码增益。此外，收到STBCs 的原理的启发，Hochwald 等人在文献[6] 中提出了为宽带码分多址下行链路 (WCDMA) 设计的空时扩频 (STS) 的发送分集思想，能够实现最大可能的发送分集增益。
遗憾的是，在文献[3]和[6]中，利用OSTBC 和 STS 应用于两个以上的发射天线的设计时导致了在使用复数时，每个信道的可实现吞吐量的减少。在文献[7] 中提出了用于构建复数调制方案和两个以上天线的全速率 STBCs 的替代思想。在这里，完美正交性的严格约束是相对宽松的，有利于实现更高的数据速率。这样设计的 STBCs 被称为准正交 STBCs。
在最好的情况下，OSTBC 和 STS 设计可以提提供和一个未编码的单天线系统相同的数据速率。但与单天线系统相比，他们提供了更好的误码率性能，因为他们获得了了较高的分集增益。与与此相反，一些文献中提出了几种标准化速率高于单天线系统的高速率空间时间传输方案。例如，在文献 [5] 中提出了在空间和时间上都是线性的高速率空时码，即所谓的线性判决码 。LDCs在模拟空时编码和/或空间复用之间实现了灵活的折衷。LDC的概念调用了基于矩阵的线性调制框架，其中每个时空传输矩阵由所谓的离散矩阵的线性组合，其分量的权重由传递的符号向量决定。
OSTBCs 和 STTCs 能够提供有具有吸引力的分集增益，以提高可实现的系统性能。然而，这种误码率性能的改善往往是在一个速率损失的代价，因为与单天线系统相比，OSTBCs 和 STTCs 可能会导致吞吐量损失。作为一种可供选择的设计方案，一类特定的 MIMO 系统，通过在每个发射天线上独立传输不同的并行信号流来提高系统的频谱效率, 从而获取复用增益。这类MIMO系统包含了贝尔实验室的分层方案及其相关方案。BLAST方案旨在根据每个符号在给定带宽内以给定完整性传输的位数来增加系统吞吐量。
与单用户使用多天线增加吞吐量的BLAST方案相比，空间复用接入（SDMA）利用不同用户的独特用户特定信道脉冲响应 (CIRs) 来分离接收到的信号。
另一方面，在波束形成装置[9]中，通常使用lambda;/ 2间隔的天线元件来创建空间。选择性发射器/接收器波束，其中lambda;代表载波的波长。 波束成形用于通过减轻各种干扰信号的影响来提供角度接收器选择性，只要它们从足够不同的角度方向到达即可。 另外，波束成形能够抑制波束形成信道干扰的影响，因此允许系统通过角度分离它们来支持多个用户。 同样，只有在相应的用户在其波束的到达角度方面可分离的条件下，这种角度分离才变得可行。
最后，正如术语所暗示的那样，多功能MIMO结合了几种MIMO方案的优点，包括分集增益，多路复用增益和波束成形增益。如前所述，V-BLAST能够实现最大可达到的复用增益，而STBC可以通过独立衰落的分集信道的数量来实现最大可实现的天线分集增益。因此，在文献[10]中提出将这两种技术结合起来以提供天线分集和频谱效率增益。另一方面，在文献[11]中，作者提出了一种称为双时空发射分集（D-STTD）的传输方案，它由配备有四个发射天线的发射机的两个STBC层组成，而接收机配备有两个传输天线。此外，为了实现额外的性能增益，波束成形已经与空间分集以及空间复用技术相结合。STBC已经与波束成形相结合，以便在分集增益之外获得改善的SNR增益。
这一贡献为多功能MIMO系统领域的进一步研究进展提供了一个轻松的视角，并展示了多功能MIMO如何实现分集，多路复用和波束成形增益。 更明确地，在下一节中，我们详细阐述了多功能MIMO方案的设计，并描述了多功能MIMO系统思想的演变。 我们量化了不同MIMO方案的可实现性能。 接着比较不同的MIMO设计方案在的分集、复用和波束成形增益，然后在最后部分中得出我们的结论。
多功能MIMO系统
设计空时码是为了获得尽可能高的分集增益，而V-BLAST方案的设计是为了获得与发射天线数量相等的最大可实现多路复用增益。另外，有人已经设计了波束成形方案以获得SNR增益。因此，多功能MIMO方案的概念，结合了STBC、BLAST和波束成形的优势，以便提供分集、复用和SNR增益。
图2显示了通用多功能MIMO方案的框图，该方案可以结合空时编码（STC），BLAST和波束成形的优点。图中所见的系统架构具有间隔足够远的Nt个发射天线阵列（AA），以便经历独立的衰落，从而实现发射分集和/或多路复用。 为了实现波束形成增益，每个AA的数量的间隔为lambda;/ 2的距离。此外，接收器配备Nr 根天线。 根据图2，B输入信息符号块串并转换为K组长度为B1，B2，...，BK的符号流，其中B1 B2 ... BK = B。每组Bk符号，kisin;[1，K]，通过STCk空时块编码形成与mk相关的编码，用以发送AAs，其中m1 m2 ... mK = Nt。
信号流串并变换
图 2 多功能MIMO系统框图
为了获得分集增益，所采用的STC可以是OSTBC，STTC或STS。从每个分量STC发送的数据独立于从所有其他STC发送的数据，这带来了多路复用增益，其中吞吐量为多功能MIMO方案是采用单个STC的方案的K倍。通过将每个STC视为BLAST方案中的层来实现复用增益。此外，使用可用于获得波束成形增益的天线阵列来发送数据。
在文献[10]中，提出了一种双功能MIMO方案，它结合了VBLAST和OSTBC的优点。 文献 [10]中提出的方案考虑了在OSTBC上的传输，其中几个并行的OSTBC块能够传输独立数据。因此，文献[10]的方案能够获得OSTBC的分集增益以及由使用几个独立的OSTBC层而带来的的多路复用增益。然而，文献[10]中方案的缺点是解码器实现了组连续干扰消除（GSIC），它没有考虑在不OSTBC层处的天线特定接收信号功率，以便在消除干扰之前对层进行排序。
另一方面，在文献[12,13]中提出了将STBC与波束成形相结合的双功MIMO方案。这些方案受益于STBC的分集增益和波束形成器的SNR增益。 在文献[12]中，作者将常规发射波束成形与OSTBC相结合，假设发射机具有部分通道信息，并推导出用于改善系统性能的性能标准。此外，文献[13]中提出的方案将双天线辅助Alamouti STBC与理想波束形成相结合，假设发射机完全了解信道的信息以及信号到达接收机的方向，以便系统可以获得更好的性能，同时在单位速率内获得最大可实现的分集阶数。
受到文献[10,12,13]中的性能改进的启发，El-Hajjar等人在文献[14]中提出了一种三重功能MIMO方案，其将分集增益与复用增益和波束成形增益相结合。文献[14]的MIMO方案被称为分层导引空时码（LSSTC），其中并行数据流由OSTBC层编码，并且每个层可能具有不同的OSTBC结构 另外，LSSTC方案的解码器采用排序策略来解码不同的层，以便改善可实现的性能。
LSSTC方案的解码器可以基于用于解码接收信号的经典迫零（ZF）算法来应用GSIC。为了高正确检测概率，首先在检测最高功率层的基础上确定STC层的最有利的解码顺序。为简单起见，让我们考虑K = 2时OSTBC层的情况，其中首先检测层1，这允许我们消除由层2的信号引起的干扰。然而，所提出的概念适用于任意STC和因此，层1的解码器必须抑制最初施加在层1上的层2的干扰，并产生可以使用文献[2]中的STBC检测器解码的信号。这可以通过使用文献[10]中提出的GSIC算法来实现。然后，解码器从复合双层接收信号中减去层1的解码符号的重复调制干扰。最后，解码器将直接STBC解码应用于第二层，因为已经消除了第一层施加的干扰。该组干扰消除过程可以推广到任意Nt和K值。
所提出的方案适用于任意STC和任意数量的层K.例如，对于Nt = 3个发射天线，双天线辅助STC可以与单个天线辅助传输方案并行使用 另一方面，对于一个计划采用Nt = 8个发射天线，可以考虑几种配置。一种配置可以采用两个四天线辅助的STC，而另一种配置可以采用四个双天线辅助的STC。配置取决于具体应用以及所需的性能和吞吐量。
LSSTC方案的特征在于分集增益，复用增益和波束成形增益。然而，LSSTC设计的缺点是接收天线的数量Nr应至少等于干扰消除器工作的发射天线数Nt。对于使用尺寸和复杂性有限的衬衫袖珍移动台（MS）而言，这种情况不太实用。 LSSTC方案可以应用于两个基站（BS）协作或BS正在与辅助MIMO的笔记本计算机协作。因此，为了在采用简单的线性接收器的同时允许BS和MS之间的通信容纳比发送BS少的天线，文献[11]提出了一种四发射的双向天线辅助方案，它结合了Alamouti的STBC和V-BLAST的优点。 文献[11]的方案被称为DSTTD，并采用了一种简单的线性解码器，它比发射机使用更少的天线。 DSTTD接收器采用两级解码算法，其中第一级是干扰消除，以消除由另一层上的每个STBC层施加的任何干扰。第二个解码阶段涉及STBC的最大似然解。
此外，为了允许多个用户使用多功能MIMO进行通信，可以采用下面描述的分层导向空时扩展（LSSTS）方案。 LSSTS方案将V-BLAST、STS和波束成形的优点与广义多载波直接序列CDMA（MC DS-CDMA）结合起来，以实现多路复用增益，空间和频率分集增益以及波束成形增益。。 LSSTS设计采用Nt = 4个发射天线以及Nr = 2个接收天线和线性接收器来解码接收信号。
LSSTS方案的系统架构在图2中可以看到STS用作组成STC层。LSSTS方案采用两个双天线辅助STS层和Nr = 2个接收天线。为了实现波束形成，每个AA的元件的LAA数量间隔lambda;/ 2的距离。该系统可以支持L个用户在相同的载波频率上同时进行发送，因为它们可以通过用户特定的扩展码cl来区分，其中lisin;[1，L]。 另外，在所考虑的通用MC DS-CDMA系统中，子载波频率被安排成保证相同的STS信号被扩展到并因此由具有最大可能频率间隔的特定子载波发送，使得它们经历独立的衰落并实现最大可达到的频率分集。
LSSTS系统采用文献[15]中的广义MC DS-CDMA方案，其中输入数据被串行-并行转换为使用双天线辅助STS传输的两个并行流。借助于， = 1,2，...，L的正交扩频码将发射信号扩展到两个发射天线。生成扩频码和来自与文献[6]中相同的用户特定扩展
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