MU-MIMO的產(chǎn)生背景及模型

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)已經(jīng)成為下一代無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。已經(jīng)有不少關(guān)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的研究。長(zhǎng)期以來(lái)，這一領(lǐng)域的研究還主要著眼于單用戶(hù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)多天線通信系統(tǒng)，而不考慮多用戶(hù)之間的共信道干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)往往需要一個(gè)基站(BS)同時(shí)和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)(MS)進(jìn)行通信，比如最常見(jiàn)的蜂窩系統(tǒng)和無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)等。因此，有關(guān)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的多用戶(hù)MIMO(Multi-user MIMO)系統(tǒng)的研究也就應(yīng)運(yùn)而生，它比單用戶(hù)MIMO更加復(fù)雜。

多用戶(hù)MIMO與單用戶(hù)MIMO的區(qū)別主要在于：在多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中，用戶(hù)組的數(shù)據(jù)占用相同的時(shí)頻資源，即用戶(hù)組的數(shù)據(jù)在相同的子載波上傳輸。因此，多用戶(hù)MIMO能有效提高系統(tǒng)吞吐量。但隨之而來(lái)的問(wèn)題是多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中如何消除用戶(hù)之間的共信道干擾。

多用戶(hù)MIMO上行鏈路通常被稱(chēng)作多址接入信道(MAC)，下行鏈路則為廣播信道(BC)。在上行鏈路中，所有用戶(hù)工作在相同的頻段上，向同一個(gè)基站發(fā)送信號(hào)，然后基站通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)區(qū)分用戶(hù)數(shù)據(jù)，主要問(wèn)題是基站如何針對(duì)不同的多址接入方式采用陣列處理、多用戶(hù)檢測(cè)(MUD)或者其他有效方法來(lái)分離各個(gè)用戶(hù)的數(shù)據(jù)。下行鏈路中，基站將通過(guò)處理的數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換成多個(gè)數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)脈沖成形、調(diào)制，然后通過(guò)多根天線同時(shí)發(fā)送到無(wú)線空間，每一個(gè)接收天線接收到的是基站發(fā)送給所有通信用戶(hù)的信號(hào)與干擾噪聲的疊加，主要問(wèn)題是如何消除由此帶來(lái)的多址干擾(MAI)。

由于多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)中各用戶(hù)的信道彼此獨(dú)立，因此，用戶(hù)一般能夠知道自己的信道狀態(tài)信息，卻很難獲得其他用戶(hù)的信道信息，而獲得其他用戶(hù)信道信息需要付出很大的代價(jià)。也就是說(shuō)用戶(hù)之間很難進(jìn)行協(xié)作。與此相反，基站有條件獲得所有通信用戶(hù)的信道狀態(tài)信息，對(duì)于時(shí)分雙工系統(tǒng)(TDD)，這可由基站接收的上行鏈路的訓(xùn)練或者導(dǎo)頻序列來(lái)獲得，對(duì)于頻分雙工(FDD)系統(tǒng)則可以通過(guò)反饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動(dòng)臺(tái)(MS)強(qiáng)得多，因此一般都是由基站在發(fā)射信號(hào)前做信號(hào)預(yù)處理(比如波束成形)，以消除、抑制干擾或者在接收到信號(hào)之后進(jìn)行后處理來(lái)區(qū)分用戶(hù)。與單用戶(hù)MIMO不同的是，多用戶(hù)MIMO系統(tǒng)的容量是一個(gè)多維的區(qū)域。假設(shè)總的發(fā)送功率一定，對(duì)于不同用戶(hù)有可能分配不同的功率，從而產(chǎn)生許多不同的信息速率，結(jié)果就形成了以用戶(hù)數(shù)目為維數(shù)的信道容量區(qū)域。例如，對(duì)于K個(gè)用戶(hù)，信道容量區(qū)域則用K維的容量來(lái)表示.

雖然多用戶(hù)通信的傳統(tǒng)領(lǐng)域已經(jīng)被充分研究過(guò)了，但在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中引入多天線之后，問(wèn)題又變得復(fù)雜起來(lái)了。多用戶(hù)MIMO具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如利用多天線的復(fù)用增益來(lái)擴(kuò)大系統(tǒng)的吞吐量，利用多天線的分集增益來(lái)提高系統(tǒng)性能，利用天線的方向性增益來(lái)區(qū)分用戶(hù)而消除用戶(hù)間的干擾等等。然而，如果聯(lián)系實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，則必須把算法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度也考慮進(jìn)來(lái)，需要在性能和復(fù)雜度之間找一個(gè)折衷點(diǎn)。復(fù)雜度可以說(shuō)是多用戶(hù)MIMO技術(shù)所帶來(lái)的眾多優(yōu)點(diǎn)所必需付出的代價(jià)。前面提到的空時(shí)處理方法和網(wǎng)絡(luò)調(diào)度都面臨著同樣的問(wèn)題。以空時(shí)處理為例。線性的空時(shí)處理方法復(fù)雜度比較低，但是性能較差，進(jìn)一步迫近多用戶(hù)信道的總?cè)萘?，我們必須找到一種更好的處理方法，從這方面來(lái)說(shuō)，DPC是個(gè)不錯(cuò)的選擇，不過(guò)其編碼復(fù)雜度又太高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不容易。再加上如果將高斯信道擴(kuò)展到更加符合實(shí)際的時(shí)間和頻率選擇性信道，處理的復(fù)雜度也就更加高了。另外，多用戶(hù)MIMO信道的大部分處理方法都是假設(shè)發(fā)射端和接收端完全知道信道狀態(tài)信息(CSI)，由于系統(tǒng)會(huì)有一定的處理時(shí)延，當(dāng)信道變化劇烈的時(shí)候這實(shí)際上是很難得到的，因此還必須考慮得到的信道狀態(tài)信息不夠準(zhǔn)確(ICSI)的情況。