无线通信中空分复用技术的研究现状

    康瑞琪+张记瑞+蒋天宇+朱国庆

    

    摘要：空分复用技术可以极大地提高频谱利用率，已经成为国内外无线通信领域的研究热点，文章讨论了空分复用技术的系统构成，对比了当前空分复用系统各模块关键技术的优缺点，总结了大规模MIM0技术以及广义空间索引调制技术的优势，分析了空分复用技术下一步发展趋势。

    关键词：空分复用；索引调制；大规模MIMO

    随着移动多媒体业务的发展，人们对无线通信传输速率需求不断增长与无线频谱日益匮乏之间的矛盾愈发突出。空分复用技术通过在收发两端采用多天线并行传输数据，极大地提高了频谱利用率。近年来，在空分复用系统基础上，空间调制技术可以在不改变收发端天线数的情况下进一步提高传输速率，大规模MIMO系统通过大幅增加一端或两端天线数并将原有2D信道扩展为3D信道从而大幅提高传输速率。本文将在简要介绍空分复用系统的基础上，重点分析大规模MIMO系统和空间调制技术及其下一步发展趋势。

    1空分复用系统

    空分复用系统模型如图1所示，发送端将数据流调制后进行串并变换为N1路并行子数据流并经过空时编码后经N1根发射天线并行发送信号，接收端对Ⅳ，根接收天线信号进行空时解码、并串转换以及解调后还原发送数据。根据上述模型，空分复用系统主要包括预编码技术、信道估计技术、信号检测技术3个部。

    1.1预编码技术

    发送端根据信道状态信息，对MIMO发送信号进行预编码处理，消除信道衰落及天线间干扰等不利影响，从而提高系统容量和传输质量并简化接收端检测算法。根据处理方式的不同，可以将预编码处理分为线性和非线性预编码2种，根据信道状态信息获得方式的不同，可以将预编码分为基于码本的预编码以及非码本的预编码。另外，在多用户MIMO技术中，接收端为多个具有多天线或者单天线的用户，用户无法区分自身信号与其他用户信号，造成共信道干扰（Co-Channel Interference，CCI），将严重影响各用户通信质量和速率，而预编码技术对发射信号预处理也可以作为消除或者降低用户间的共信道干扰的有效途径。

    1.2信道估计技术

    在空分复用系统中，接收端每副接收天线接收到的信号都是发送端发射信号经过信道干扰传输后的叠加。为了在接收端正确检测出发送的数据流并在发送端进行合适的预编码处理，必须对信道特性进行估计。因此，接收端对MIMO信道的估计是信号检测以及预编码的基础，而信道估计的准确度也与系统整体性能密切相关。目前，信道估计技术可以分为基于导频的信道估计算法、基于信道判决反馈信道估计方法和盲信道估计算法3类。

    （1）基于导频的信道估计算法也是最为常见的一种信道估计算法，其在发送端发送一组收发两端均已知的导频序列，利用接收端实际接收结果与导频序列对比后估计信道特性。这种算法对信道估计准确，但额外占用传输资源，降低系统的有效性。

    （2）基于信道判决反馈信道估计方法在利用导频序列估计出当前信道状态信息后，利用传输数据的检测结果对信道特性进行估计。这种算法开销小，但对传输过程中错误检测敏感度很高。

    （3）盲信道估计依靠先验约束条件根据统计特性对信道进行估计。这种算法无需开销，但运算复杂度高而且只适用于慢衰落信道。

    1.3信号检测技术

    信号检测技术是空分复用技术的核心，接收端必须在相互干扰的信号中正确检测出各发射天线数据，其检测结果将直接影响整个空间复用系统的性能，检测算法的性能主要体现在误码率和运算复杂度上。目前空间信道复用的检测算法大致可以分为：最大似然（Maximum Likelihood，ML）检测算法、线性检测算法、连续干扰消除（Successive InterferenceCancellation，SIC）检测算法和球形检测算法。

    （1）ML检测算法。ML检测算法依据最大似然准则，遍历所有可能发送信号进行判决，选出最优点作为发送信号的估计值。由于检测过程遍历所有可能情况，一方面使其BER性能最优，另一方面使其运算复杂度随发射天线和调制阶数呈指数增长，为O（SM）。

    （2）线性检测算法。线性检测算法通过在接收端添加一个线性滤波器对接收到的混叠信号进行分离检测。由于线性处理过程中，各天线信号存在干扰，使得BER出能较差，但线性处理只进行了矩阵的求逆与乘法，运算复杂度低，为O（M3）。

    （3）SIC检测算法。SIC检测算法逐层检测各发射天线信号，在下一根天线信号检测前，去除己检测天线信号对总接收信号的干扰，从而整体上降低各天线间干扰的影响。因此SIC检测算法BER性能优于线性检测算法，但其每次计算都需要进行排序，使得运算复杂度略高于线性检测算法，为D（M3）～D（M4）。

    （4）SD检测算法。SD检测算法检测以接收向量为中心规定半径的球形内格点，并不断减小搜索半径从而获得最小半径的估计值。由于检测结果与ML检测结果基本一致，其BER性能十分接近ML算法，而且检测过程避免了繁琐的遍历性搜索，运算复杂度较ML算法低但比SIC检测算法高。另外，随着SNR增加，各格点平均距离降低，检索次数变大，使得SD检测算法运算复杂度随着SNR增加而增加。

    在上述空分复用系统基础上，空分复用系统还出现了多用户MIMO技术、大规模MIMO技术、空间索引调制技术等关键技术，从而进一步提高系统传输速率。

    2大规模MIMO技术

    大规模MIMO技术采用大规模天线阵（数百根发送天线）同时同频服务不同用户的技术，从而将发射信号能量集中在更小区域以获得更高的性能。与传统的空分复用系统相比，大规模MIMO系统的构成及基本原理类似，但其将传统的多天线发射及对应的2D信道模型扩展为天线阵列及3D信道模型。与传统的波束形成相比，其大幅增加发送天线的同时，将各天线幅度与相位的加权简化为单纯的相位加权。结合波束形成、空分复用、天线阵等技术，大规模MIMO技术可以获得大幅提升信道容量及能量传输效率、价格低廉等优势：

    （1）极大地提升信道容量及能量传输效率。大规模天线阵将原有波束形成中只能水平选择发射角度的2D信道扩展为水平垂直的3D信道，使得发送功率集中在更小的目的区域，从而提升目的区域的接收信号能量并降低对其他区域用户的干扰。

    （2）价格低廉。大规模MIMO系统以数百根廉价的低功率天线代替原有天线，总发射功率相同的情况下，避免了传统的天线系统中昂贵的非线性高功率放大器以及相应的同轴电缆等昂贵且笨重的物品。

    （3）降低空中接口的延迟。传统空分复用系统需要依靠较强的多径环境并对多径进行处理，这将导致数据传输过程中与多径时延相关的延迟。大规模MIMO技术中的波束形成，不要求多径环境以及对多径延迟的处理，从而不受多径延迟的限制。

    （4）简化多址接入。大规模MIMO技术中每个用户均利用整个带宽，无需带宽调度，从而简化了大多数的物理层控制信号冗余，进而降低系统开销，提高资源利用率。

    （5）降低空中干扰并提高安全性。大规模MIMO技术中发射天线提供了很多多余的自由度，可以用来取消故意干扰器的信号。由于发送信号目的区域更小并且其他区域接收功率更低，降低了其他区域窃听信号的风险。

    但是，大规模MIMO技术也存在诸多问题，其中导频污染问题尤为突出。导频污染是指小区内或相邻小区共用导频序列而导致的链路干扰问题现象。一般情况下，为避免干扰各用户需分配一个正交上行导频序列，但是导频序列的数量受限于相干时间与信道延迟扩展，当用户数量过大，就会发生相邻小区甚至小区内用户共用一个导频序列的情况，从而影响信道估计的下行波束形成，进一步影响系统性能。文献指出，相比于经典的MIMO系统，导频污染对大规模MIMO系统影响更大，而随着收发天线数增长，导频污染成为限制系统性能上限的主要因素。

    3广义空间索引调制

    广义空间索引调制将索引调制应用于多天线系统，从而进一步提高空分复用系统传输速率。与传统所有天线均发送调制信号不同，广义空间索引调制中待发送数据分为2个部分，一部分用以调制所有天线中实际发送调制信号的天线个数与序号，另一部分再对实际工作天线发送的信号进行调制。空间索引调制技术的核心可以从3个方面概括：

    （1）快速的本地计算可映射海量的外存空间信息数据。通过索引调制的引入，映射域从原有的单纯依靠天线数的线性叠加变为索引域对多进制调制域维数的扩展，使得映射域呈指数的扩展，对应外存空间信息数据更为庞大。

    （2）对复杂的空间目标对象进行逐步分割，使得查询路径不需要遍历整个信息。索引调制对多进制调制域进行索引域的多维扩展后形成新的多进制索引空间，其编码基本原理就是将空间分割为若干查询区域，每个区域存储多个索引项。解码过程分为确定查询区域和区域内索引项2步，即可快速获得编码数据，无需遍历整个索引空间。

    （3）采用合适的空间分割方法。为降低不同查询区域间的相关性，提升同一查询区域的相关性，需要采用合适的空间分割方法，从而在提升解码BER性能的同时，使得索引、查询更加快捷高效。

    广义空间索引调制只是从空域进行了索引调制，而一般的多天线系统中，通常会采用OFDM调制用以克服频率选择性衰落，这使得将索引调制引入频域成为可能。GSFIM（Generalized Space and Frequency Index Modulation，广义的空频索引调制）就是从空间、频率域分别进行索引调制，从而将待发信息映射为空间索引、频率索引以及传统的多进制调制3个部分，对应MIMO-OFDM系统可以实现相比于传统空分复用更高的传输速率。

    4结语

    本文在总结近年来国内外对空分复用技术最新成果后，重点分析了大规模MIMO技术以及广义空间索引调制2种新型技术的特点与优势。空分复用技术因其具有快速提高传输速率的优势一直是国内外研究的焦点，并己取得很多成果。目前，以下几个方面有待进一步研究：

    （1）将索引调制扩展至空间、时间、频率域。目前，广义空频索引调制只是从空域和频域2个方面进行了索引调制，而时隙的存在使得时域内的索引调制可以轻易实现，但是将索引调制用于时域还需注意2个问题：一是与空域和频域的有限性不同，时隙可以无限扩展。时域的索引需要在一个合适数量的时隙数进行，如何确定时隙数将成为以后研究的重点。二是索引调制中容易出现传输信号连续为零的现象，这将给同步精度带来突出影响，此时可以借鉴编码中的HDB3编码进行，但仍需进一步研究。

    （2）提升多天线系统的抗相关衰落特性。多天线系统中要求各天线间衰落相互独立，但在实际的通信中，由于所在环境散射不够、移动端天线距离过近等原因，使得各天线间衰落存在相关性，这将严重影响系统的信道容量和传输质量。目前，现有的抗相关衰落特性的方式主要采用预编码等信号处理技术或设计不同的天线阵，但并未完全消除相关衰落对系统性能的影响。

    （3）GSIM中分集增益与复用增益的优化折中。现有对于分集与复用折中的研究只在传统的多进制调制下的MIMO系统中进行，但GSIM采用索引调制和多进制调制相结合的方式进行，对应分级增益与复用增益的折中更为复杂，需要进一步的研究。