MIMO系统有限速率反馈技术研究(3)

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MIMO系统就是在发送端和接收端同时配备多根天线用来发送和接收。MIMO不仅可以保留原来时间和频率的维度，而且可通过空间维度进一步提供信道的容量增益，也就是空间复用（Spatial Multiplexing，SM）增益，同时会带来空间分集（Spatial Diversity，SD）增益和天线阵列增益等。研究成果表明，当多径效应存在并且信噪比较高时，MIMO系统信道容量会随发送天线数和接收天线数中最小值线性地增长，这就充分说明MIMO在提高频谱的效率方面具有巨大的潜力[3]。近来MIMO技术不仅得到世界各国研究人员广泛的研究，并且其和OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术结合的MIMO—OFDM技术已在WLAN（Wireless Local Area Networks ）领域中得到成功的应用。MIMO越来越多地被应用到各种无线通信的系统中，与此同时，MIMO也在不断被完善。总之，MIMO的核心目的就是，在复杂的时变无线信道中，凭借空间维度，增强链路的可靠性并增加数据的传输速率。

1．3 MIMO模型及应用（单用户MIMO、多用户MIMO）

一般情况下，MIMO系统可分成单用户MIMO和多用户MIMO系统。图1.3.1为典型点对点单用户MIMO的传输模型；图1.3.2为单发送端多接收端的多用户MIMO传输模型；图1.3.3是多发送端多接收端传输模型。

1、单用户MIMO

单用户MIMO如图1.3.1，发送端和接收端配备有数量分别为与的天线。发送端可以同时发送（，）个数据流到达接收端。在平坦的衰落信道MIMO系统，接收信号可表示为

（1.3.1）

其中为发送信号向量，是维信道矩阵，为长度使的噪声向量，且中每个元素都是独立服从于复高斯分布的。时，MIMO信道退化为MISO信道；时，退化为SIMO信道；当，信道退化为SISO信道。MIMO信道容量是[8]

（1.3.2）

其中是信噪比。

2、多用户MIMO

由于单用户MIMO信道容量高信噪比时是随着线性增长的，而现实通信系统中，由于移动终端设备尺寸较小和成本等众多的因素，经常只能配置较小数目天线（1根或2根），而基站却能配置大数目天线，使得信道的容量受限于移动终端天线数。但是，在多用户MIMO中，该问题得到了较好的解决。多用户MIMO可在同样时间与频率资源条件下并行给多个用户传输独立数据流，此称之为空分多址接入（Spatial Division Multiple Access，SDMA），多用户MIMO的信道容量不用再受限于单个的移动终端天线数。多用户MIMO是以预编码技术或波束成形为基础来实现的，且多用户MIMO的发送预编码的技术已被LTE采纳作为备选方案[9]。

在多用户的MIMO系统，发送端配备有根发送天线，每个移动终端配备有根天线。发送端时刻发给用户的信号是，预编码的矩阵是。假设是窄带平坦的MIMO信道（例如OFDM系统中一个子载波），且具有完美同步。用户在时刻接收的信号可表达为

（1.3.3）

其中，是由发送端到接收端的维的信道矩阵，可表达为

（1.3.4）

式中每元素均表示发送端第根天线到达用户第根天线之间的信道。为长度是的高斯白噪声的向量。为用户接收到的有用的信号，而为用户接收到的干扰和噪声之和。因此，对预编码矩阵的选择将直接影响每个用户所受干扰以及整个系统的性能。如此，怎样进行用户调度，功率分配和选择合适的预编码矩阵就成为多用户MIMO的核心问题之一，成为挖掘多用户MIMO的空分复用增益的关键。