第1章
多天線及波束賦形技術發展概述
| 1.3 多天線傳輸技術分類 |
1.3.4 發射分集
1.3.5 多天線傳輸方案的選擇
前面我們介紹了 MIMO 技術的基本原理和幾種典型的多天線方案：空間複用技術利用 MIMO 信道的多個資料通道，傳輸并行的資料流，進而提升傳輸速率，獲得所謂的空間複用增益（高信噪比區域吞吐量性能的成倍提升）；發射分集技術利用并行的資料通道，傳輸具有備援度的多份資訊，以提升傳輸的可靠性（差錯機率曲線斜率增加）；波束賦形技術則能夠選擇好的資料通道，有效地提升接收信幹噪比（差錯機率曲線的左向平移）。
由上述各節的讨論可以看出，CSI 的擷取能力對于 MIMO 技術方案的 選擇有着至關重要的影響。例如，同樣是為了保證傳輸的可靠性，發射分集技術将同一資訊的多個備援樣本通過不同的資料通道進行發送，而單流傳輸的波束賦形技術則是将全部的發射功率和資訊饋送到理想的資料通道之中。其中的一個重要差别便是，發射機一側能否獲得及時準确的信道狀态資訊。
以兩發兩收的 MIMO 系統為例，如果發射機不能獲知空間信道資訊，在使 用 STBC 之後得到的 SINR 如式（1-25）所示。其中 λ 1 與 λ 2 分别為信道矩陣 大和小奇異值的平方，并分别對應于 MIMO 信道的兩個等效資料通道的傳輸 能力。由于發射機不能獲知 CSI，此時隻能盲目地将資訊和相應的發射功率均 分到兩個通道傳輸。
如果發射機能夠獲得及時準确的信道狀态資訊，則經過單流波束賦形之後 的 SINR 如式（1-26）所示。由于發射機可以獲得準确的 CSI，可以将全部資源 集中在傳輸品質好的資料通道上，進而獲得更大的 SINR 增益。
除了 CSI 擷取能力的因素之外，實際上每種 MIMO 方案都有其适用條件。 下面我們讨論一下，什麼時候需要使用發射分集或者單流賦形這樣的可靠性大化方案，而什麼時候可以去追求傳輸速率的大化。
1．可靠性與傳輸速率之間的選擇
信噪比是影響我們判決的一個重要因素。
- 低信噪比區域
由 MIMO 的信道容量公式可以看出，在總發射功率一定的前提下，随着并 行資料通道數量的增加，每個資料通道的可用功率降低。是以在低信噪比區域， 如果一味地追求速率的提升而使用空間複用技術，用多個資料通道傳輸并行的 資料，由于流間的功率配置設定以及流間幹擾的加劇，加上低信噪比區域信道估計 誤差的加大，終的總傳輸速率可能還不如單流傳輸。
實際上，低信噪比區域一般對應于移動通信系統小區邊緣等信道條件較不 理想的場景。這種情況下應當優先保障傳輸的可靠性，而不是傳輸速率。反過 來講，在鍊路可靠性得以改善的前提下，系統可以在一定程度上通過調高 MCS （Modulation & Coding Scheme）等級來彌補單流傳輸的速率。是以，低信噪比 區域更适合使用發射分集或單流波束賦形等可靠性大化的傳輸方案。
- 高信噪比區域
随着信噪比的提升，發射分集或單流波束賦形技術通過提升 MCS 所能夠 帶來的改善将越來越有限，而單流傳輸的吞吐量也将逐漸趨于飽和。從此意義 上而言，信噪比的增加對于提高系統性能的意義是不明顯的。
對于多流傳輸而言，在信噪比足夠高的條件下，多個資料流之間的功率分 配不足以影響每個資料流的傳輸可靠性，而将富餘的功率配置設定給更多的并行數 據流卻可以帶來吞吐量的直接提升。在這種情況下，速率大化方案的優勢才 能夠得以展現。
2．傳輸流數的選擇
決定多天線系統能夠支援的并行資料通道數量的因素包含 Rank 與 SINR， 同時也需要考慮具體的業務需求。信道的 Rank 取決于天線數量、天線形态、 散射體分布、應用場景等諸多因素。除此之外，由前面的讨論可以看出，SINR 的分布範圍對單流或是多流傳輸方案的選擇有着至關重要的影響。
以圖 1.13 為例，在低信噪比區域，多流傳輸并不能帶來吞吐量的提升。在 這種情況下，更适合采用穩健的單流傳輸方案。然而，随着信噪比的提升，單 流傳輸的吞吐量逐漸達到飽和。此時，信噪比的改善無法帶來吞吐量的進一步 提升，而多流并行傳輸對吞吐量的倍增效應在高信噪比區域得以顯現。随着信 噪比的提高，多流傳輸能夠帶來吞吐量的成倍提升。
3．SU-MIMO 與 MU-MIMO 之間的選擇
根據前面的讨論可以看出，SU-MIMO 适用于低相關性且信噪比較高的場 景。但是對于 MU-MIMO，為了發揮其性能優勢，需要更加嚴苛的适用條件。
- 較高的 SINR：如前所述，隻有在中高信噪比區域才能發揮出多個資料流 并行傳輸的優勢，此條件同樣适用于 MU-MIMO。
- 足夠多的使用者數量：從多使用者排程增益的角度考慮，隻有潛在被排程的 使用者數量足夠多，才有可能從中選擇出适當的使用者集合，使其組合進行 MU-MIMO 傳輸時的系統吞吐量遠遠超過單使用者傳輸的性能。這也是為什麼 LTE 從 Rel-9/10 開始才将 MU-MIMO 作為研究和标準化的重點。系統部署初期 以保證覆寫為主要目标，使用者數量也相對較少。但是當覆寫問題基本解決之後， 随着使用者數量的穩步攀升，系統負荷的逐漸加重以及頻帶的資源日益緊張， MU-MIMO 對于提升系統頻譜效率的重要作用便逐漸顯現出來。
- 高精度 CSI：在下行 MU-MIMO 傳輸過程中，各個使用者很難獲知是否存 在與之共同排程的使用者，也很難估計共同排程使用者的信道資訊，是以無法在終 端側有效地抑制多使用者之間的幹擾。這時需要基站側能夠準确地利用适當的資 源，選擇适當的使用者進行排程，并使用準确的波束賦形或預編碼，在發射機一 側有效地消除使用者之間的幹擾。而上述所有操作的基礎，都在于基站一側擷取 的 CSI 的準确性與及時性。是以，從标準化的角度出發，對 MU-MIMO 功能的 增強主要展現在對 CSI 回報精度的保證上。
- 相比之下，SU-MIMO 對基站側 CSI 的精度要求或者說預編碼的準确性要 求相對就比較低。這是因為，單使用者傳輸時，隻需要解決使用者本身的多個資料流 之間的幹擾。即使基站側不能很好地通過預編碼抑制層間的幹擾，終端側也可以 基于完整的 MIMO 信道，利用自己的接收檢測算法抑制資料流之間的幹擾。
- 高相關性：具體來講，MU-MIMO 适用于時間、空間相關性較高的場景。
- 時間相關性較高，意味着信道的變化相對緩慢，這樣的 CSI 回報、調 度和預編碼能夠跟上信道的變化。
- 一般而言，天線間距比較小且處于散射體比較少或以 LOS 徑為主導的 場景中時，信道的相關性比較高。如圖 1.8 所示，當使用小間距天線 陣，相關性比較高的時候，波束具有非常明确的指向性，存在清晰的 主瓣，這樣我們就可以較為清晰地在空域上分辨多個使用者。
- 當天線間距較大，相關性比較低的時候，比對兩個使用者的信道時形成的 波束會存在比較明顯的栅瓣。當然在這種情況下，如果說條件都很理想， 兩個存在大量栅瓣且互相交錯的波束也可以做到幹擾很小或者是正交。 但是在實際的傳輸過程中，存在諸多非理想因素。如果把傳輸過程中很 多非理想因素，比如 CSI 的估計誤差、回報時延等都歸結為一個小小的 擾動ΔH。在高相關和低相關場景下，其波束對這種擾動的反應是截然不 同的。對于低相關的情況，理想條件下窄波束的頂點和高相關寬波束重 合，但是一旦出現非理想的擾動，低相關場景下的賦形增益可能會出現 明顯的下降，同時使用者之間的幹擾水準也會發生劇烈的波動。由于接收 機側進行使用者間幹擾抑制較為困難，這種不可預見的幹擾波動将對 MU-MIMO 的性能産生嚴重的影響。是以，MU-MIMO 更希望各個使用者 有着比較明确的、可以區分的到達方向，這樣可以用波束穩定地隔離用 戶之間的幹擾，以保證 MU-MIMO 傳輸的性能增益。