TD-HSPA+系统中的MIMO技术.docx

1 TD-SCDMA基本技术及其演进移动通信的历史可以追溯到十九世纪八十年代，在第二次世界大战期间种种军事上的需求导致了移动通信技术的巨大变化，二次大战后，移动通信技术开始转向民用。从八十年代初的模拟蜂窝移动通信系统出现以来，移动通信技术得到了迅猛发展，特别是九十年代后，无论是发展中国家还是发达国家，移动通信技术都走进了千家万户。1.1 移动通信系统的发展1.1.1 第一代移动通信系统移动通信的高速发展是建立在技术发展和市场需求的基础上，第一代模拟移动通信技术诞生在二十世纪四十年代，美国底特律警察使用车载无线电系统进行联络，主要采用大区制模拟技术。到了二十世纪七十年代中期，贝尔实验室提出了蜂窝通信的概念，移动通信开始广泛应用。第一代移动通信系统采用模拟调制技术，主要提供语音业务。在标准上主要有：1、AMPS - Advance mobile Phone system（先进的移动电话系统）使用800MHz频带，在北美、南美和部分环太平洋国家广泛使用。2、NMT- Nordic mobile telephone System（北欧移动电话系统）使用450MHz、900MHz，在欧洲广泛使用。3、TACS - Total Access Communication System（全接入通信系统）使用900MHz，分ETACS（欧洲）和NTACS（日本）两种版本，英国、日本和部分亚洲国家广泛使用此标准。尽管模拟蜂窝系统取得了巨大的成功，但在实际的使用过程中也暴露出了一些问题，比如：1、频谱效率低，有限的频谱资源和不断增加的用户容量的矛盾十分突出；2、业务种类单一，主要是语音业务；3、模拟系统存在同频干扰和互调干扰；4、模拟系统保密性差。但最主要的因素还是容量与日益增长的市场之间的矛盾。因此模拟系统在经历了二十世纪八十年代的辉煌后，很快被九十年代推出的数字蜂窝系统所取代了。1.1.2 第二代移动通信系统随着超大规模集成电路，低速话音编码以及近二十年来计算机技术的发展，数字化处理技术比模拟技术具有更大的优势，现代通信已经由模拟方式转化向数字化处理方式。1992年第一个数字蜂窝移动通信系统GSM（Global System for Mobile Communications）全球移动通信系统网络在欧洲铺设，由于其性能优越，所以在全球范围内得到迅猛发展。美国在数字蜂窝移动通信的起步较欧洲要晚，但是在美国发展数字蜂窝移动通信时，却呈现出了多元化的趋势，除了制定了与欧洲类似的基于TDMA的IS-54,IS-136标准的数字网络，1992年，高通公司向CTIA（Cellular Telecommunications & Internet Association）移动通信产业联盟提出了CDMA码分多址的数字蜂窝通信系统的建议和标准，该建议于1993年被CTIA和TIA（美国通信工业协会）批准为中期标准IS-95。CDMA技术因其固有的抗多经衰落的性能，并且具有软容量，软切换，系统容量大而在移动通信系统中备受青睐。1.1.3 第三代移动通信系统第三代移动通信技术的理论研究、技术开发和标准制定工作起始于80年代中期，国际电信联盟（ITU）从1985年开始研究未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），后更名为国际移动通信2000（IMT2000）。欧洲电信标准协会（ETSI）从1987年开始对此进行研究，并将该系统称为通用移动通信系统（UMTS）。目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与地面移动通信网相结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人通信的理想。ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：1、业务数据速率：室内：2Mbps；手持机：384kbps；高速移动：FDD方式 144kbps，移动速度达到500km/h；TDD方式 144kbps，移动速度达到120km/h；2、业务质量：数据业务的误码率不超过10-3或10-6（根据具体业务要求），并可提供高速数据、低速图象、电视图象等数据传输业务；3、兼容性：具有全球范围设计的高度兼容性，IMT2000业务应与固定网络业务，无线接口具有高度的兼容性；4、全球无缝覆盖：移动终端可以连接地面网和卫星网，使用方便；5、移动终端：体积小、重量轻、具有全球漫游功能；6、频率范围：1992年WRC-92确定了IMT2000的核心频段：上行频段18852025MHz；下行频段21102200MHz（共230MHz），其中19802010MHz和21702200MHz用于卫星移动通信业务。2000年5月WRC通过了IMT2000的扩展频谱规划（806969MHz，17101885MHz，25002690MHz）。1999年11月召开的国际电联芬兰会议确定了第三代移动通信无线接口技术标准，并于2000年5月举行的ITU-R 2000年全会上最终批准通过，此标准包括码分多址（CDMA）和时分多址（TDMA）两大类五种技术。它们分别是：WCDMA、CDMA2000、CDMA TDD、UWC-136和EP-DECT。其中，前三种基于CDMA技术的为目前所公认的主流技术，它又分成频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。TD-SCDMA属CDMA TDD技术。WCDMA最早由欧洲和日本提出，其核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术，空中接口采用DS-CDMA多址方式，码片速率为3.84Mchip/s，载波带宽为5MHz。WCDMA还可以采用一些先进的技术，如自适应天线（Adaptive Antennas）、多用户检测（Multi-User Detection）、分集接收（正交分集、时间分集）、分层式小区结构等，来提高整个系统的性能。目前，这种方式得到欧洲、北美、亚太地区各GSM运营商和日本、韩国多数运营商的广泛支持，是第三代移动通信中最具竞争力的技术之一。CDMA2000由北美最早提出，其核心网采用演进的IS-95 CDMA核心网（ANSI-41），能与现有的IS-95 CDMA向后兼容。CDMA2000计划采用MC-CDMA（多载波CDMA）方式，可支持语音、分组、数据等业务，并且可实现QoS的协商。由于载波间可以重叠，故频谱利用率较高。CDMA技术得到IS-95 CDMA运营商的支持，主要分布在北美和亚太地区。TDD-CDMA包括欧洲的UTRA TDD和我国提出的TD-SCDMA技术。TDD-CDMA系统的多址方式很灵活，可以看做是FDMA/TDMA/CDMA的有机结合，并且采用了智能天线技术、上行同步技术、多用户联合检测技术、动态信道分配技术、软件无线电技术等关键技术，实现了较高的频谱利用率，但也存在一些不足，比如终端的移动速度和覆盖距离。1.2 TD-SCDMA移动通信系统TD-SCDMA是由我国提出的一种TDD-CDMA标准，它具备TDD-CDMA的一切特征，能够满足3G系统的要求，可在室内、室外环境下进行语音、传真及各种数据业务。TD-SCDMA接入方案是直接序列扩频码分多址（DS-CDMA），扩频带宽为1.6MHz，采用不需配对频率的TDD（时分双工）工作模式。因为在TD-SCDMA中，除了采用DS-CDMA外，它还具有TDMA的特点，因此经常将TD-SCDMA的接入模式表示为TDMA/CDMA。TD-SCDMA系统的关键技术主要有：1、智能天线技术与现有的无线通信系统相比，智能天线（Smart Antenna，SA）技术将在未来的无线通信中发挥重要作用。在TD-SCDMA系统中，在不显著增加系统复杂度，采用数字方法实现波束赋形的智能天线将得到充分的应用。智能天线能够把主波束对准入射信号并自适应实时的跟踪信号，同时将零点对准干扰信号，从而抑制干扰信号，提高信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。另外，智能天线引入了第4维多址方式：空分多址（SDMA）方式，在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰，大大提高系统频谱利用效率。TD-SCDMA系统智能天线的原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用数字信号处理方法使主瓣自适应的指向移动台方向，就可以达到提高信噪比，降低发射功率等目的。2、联合检测技术联合检测（Joint Detection，JD）技术是在多用户检测（Multi-User Detection，MUD）技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相关不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。联合检测技术已被纳入3G系统的关键技术体系中，但只有TD-SCDMA第一次在CDMA通信系统中采用联合检测技术，实现了智能天线和联合检测技术的有机结合。由于各种技术因素和成本的制约，联合检测技术只能在基站中实现，随着科学技术的不断进步和发展，基站和终端都将可能采用联合检测算法以消除多址干扰（MAI）和符号间干扰（ISI）。3、同步CDMA技术同步CDMA指上行链路各终端信号与基站解调器完全同步，它通过软件及物理层设计实现，这样可使正交扩频码的各码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于移动终端发射的码道信号到达基站时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，从而提高CDMA系统容量、简化硬件、降低成本。精确的上行同步使TD-SCDMA显示了诸多优势：1）移动终端的数据到达基站保持同步是使用联合信道冲击响应的基础，所以上行同步的实现可以有效的定位信道冲击响应；2）在TD-SCDMA系统中上行链路和下行链路都采用正交码扩频，只有精确的上行同步才能保证接收到的扩频码保持正交，从而可以有效的减少干扰，大大提高系统容量，并降低基站接收机的复杂度；3）为保持上行信号到达基站时能够同步，移动台动态调整发往基站的发射时间，从而可以进行距离估算，更有效的进行波束赋形和切换判断。同步CDMA的缺点是系统对同步的要求非常严格，需要精确的定时信号，并克服信道干扰。一旦同步破坏，将导致通信阻塞和严重干扰。系统的同步要求在基站有GPS接收机或公共的分布式时钟，这会增加系统成本。4、软件无线电技术软件无线电是利用数字信号处理软件实现无线通信功能的一种技术，它能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。其主要的优点有：1）通过软件方式，灵活完成硬件功能；2）良好的灵活性及可编程性；3）可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能；4）对环境的适应好，不会老化；5）便于系统升级，降低用户设备费用。对TD-SCDMA系统来说，软件无线电可用来实现智能天线、同步检测和载波恢复等。在TD-SCDMA蜂窝移动通信系统中，基站和移动终端采用软件无线电结构，硬件简单，功能由软件定义。另外，软件无线电技术将在TD-SCDMA联合组网时发挥重要作用，软件无线电技术可用不同的软件实现不同无线电设备的各种功能，具有高度的灵活性。5、动态信道分配技术由于TD-SCDMA系统带宽为1.6MHz，与其他3G系统带宽为5MHz相比，可支持3个载波频率，所以可实现频率复用。同时智能天线技术使TD-SCDMA系统可实现空间复用（SDMA），所以在TD-SCDMA系统中采用了CDMA/TDMA/FDMA/SDMA的混合多址方式，动态信道分配的无线资源管理方式成为TD-SCDMA系统的重要特点，将实现对多维无线信道资源的动态管理和控制。TD-SCDMA系统中的无线资源管理将通过频/时/码/空4维资源空间的适配算法和策略，实现无线信道资源的动态分配和控制。动态信道分配形式主要集中在以下几种形式：1）时域动态信道分配 如果在目前使用的无线载波原有时隙中发生干扰，通过改变时隙可进行时域的动态信道分配。2）频域动态信道分配 如果在目前使用的无线载波所有时隙中发生干扰，通过改变无线载波可进行频域动态信道分配。3）空域动态信道分配 通过选择用户间最有利的方向进行耦合，执行空域动态信道分配。通过联合进行时域、频域和空域的动态信道分配技术，TD-SCDMA能将系统自身的干扰最小化，从而获得最佳的频谱效率、业务质量，体现出了TDMA/TDD方案的优势。1.3 TD-SCDMA移动通信系统的演进与TD-HSPA+系统1.3.1 TD-SCDMA系统短期演进在TD-SCDMA系统中，为了更好的支持高速数据业务，和WCDMA类似，采用高速下行分组接入（HSDPA）技术和高速上行分组接入（HSUPA）技术，统称这两种为HSPA技术。HSPA技术的提出是为了适应未来移动通信系统数据传输的需求。通过引入高速共享信道增强空中接口，并在UTRAN中增强相应的功能实体来实现高速数据传输。从技术角度来看，HSPA技术主要是通过引入高速共享信道增强空中接口，并在UTRAN中增加相应的功能实体来完成的；从底层来看，主要是引入自适应调制编码（AMC）和H-ARQ（混合ARQ）技术来提高数据吞吐量；从整体架构上来看，主要是增强Node B的处理功能，在Node B的MAC子层中引入一个新的MAC子实体，专门完成新增高速共享信道的相关参数配置和H-ARQ协议等相关处理，在高层和接口加入相关操作信令。1、AMC技术无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性，对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的改善带来很大的好处。在TD-SCDMA的HSPA系统中常采用AMC技术。AMC属于链路自适应范畴，AMC的基本原理就是改变调制和编码的格式使它在系统限制范围内和信道条件相适应，而信道条件则可以通过发送反馈来估计。在AMC系统中，用户一般在理想信道条件下用较高阶的调制方式和较高的编码速率，而在不太理想的信道条件下用较低阶的调制编码方式。采用AMC的好处主要有：1）处于有利位置的用户可以具有更高的数据速率，因此蜂窝平均吞吐量得到提高；2）在链路自适应过程中，通过调整调制编码方案而不是调整发射功率的方法来降低干扰水平。2、H-ARQ技术AMC能够提供粗略的数据速率的选择，而H-ARQ基于信道条件可以提供精确的速率调节。有很多种方式可以实现H-ARQ：Chase合并和增加冗余量等。H-ARQ有两种主要模式，即选择性中继（SR）和停止与等待（SAW）模式。在HSDPA中采用SAW。对于SAW模式，发送端发送数据后等待，编码正确的确认信息长为1bit，同时序列号长为1bit也足够了。AMC可以根据UE的测量或者网络提供的信息条件来灵活的选择合适的MCS，但需要UE进行准确信道测量并且受到相应延迟的影响。H-ARQ能够自动的适应信道条件的变化并且对测量误差和时延不敏感。AMC和H-ARQ两者结合起来可以得到很好的效果AMC提供粗略的数据速率选择，而H-ARQ可以根据数据信道条件对数据速率进行较精确的调整。3、分组调度算法分组调度算法的功能是在分组用户之间分配分组数据业务时，提高用户利用空中接口资源的能力。在传统的CDMA系统中，分组调度方式主要有码分和时分两种：1）码分方式，即大量用户同时占用有限的信道资源，因此对无线信道的传输质量要求高，传输速率低，传输时延大，但是空中接口的干扰水平比较稳定，对移动台的要求也比较低。2）时分方式，即在每个调度周期将空中接口的可利用资源只分给一个或少数几个用户，对Eb/I0要求较低。用户在很短的时间内以很高的速率进行传输，因此平均时延比码分方式小，但是随着用户数增加，每个用户需要等待更长的时间才能传输。TD-SCDMA中的分组调度是时分和码分方式的结合。采用智能天线之后，引入了波束资源，空中接口可利用资源的模型发生了变化，在分组调度的方式中增加了1维空分，新的调度方式将包括时分与空分相结合方式、码分与空分相结合方式、时分/码分/空分3者相结合的混合方式。因此，必须通过定量分析和研究各种影响的大小，综合考虑给出一个较好的解决方案，提出一个合适的资源调度算法。1.3.2 TD-HSPA+系统TD-SCDMA HSPA+的根本目的是在HSPA的基础上进一步提高数据业务的性能。技术改进可以分成两类，一是在物理层提高传输能力，包括采用更高阶调制技术64QAM和采用多天线技术；二是在高层提高控制能力，包括采用分组数据业务用户的持续连接（CPC）技术、层2增强技术和增强Cell_FACH技术等。CPC技术无需伴随DPCH的HSPA业务，这样降低了对码道资源的需求，采用不连续发送（DTX）/不连续接收（DRX）状态降低终端功耗，同时下行共享信道会降低对控制信道的需求。HSPA+的目的是要通过一些新技术的引入，优化现有HSPA系统对数据业务的支持能力，进一步提升频谱利用效率，并促进RAN和CN的演进。1、多天线技术多天线技术包括智能天线技术，多输入多输出（MIMO）天线技术和分布式天线技术。利用智能天线阵列实现MIMO技术，大幅提高频谱利用效率。智能天线的原理是利用天线阵列的波束成形特性，通过识别用户信号到达的方向，将天线的主方向指向用户，同时使旁瓣或零陷指向干扰信号到达方向，从而给有用信号最大增益，并对干扰信号进行抑制。MIMO技术是发送端和接收端同时使用多个天线，利用多个收发天线形成的多条无线路径之间的不相关性来成倍的提高传输速率。MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个时间域和空间域结合起来进行信号处理。MIMO技术和传统的智能天线技术有较大的差别，智能天线是利用信号的空间特征分开用户信号，克服多址干扰及多径干扰。而MIMO技术可以利用智能天线的波束赋形特性保证无线信号是有方向性的发送给终端，同时由于终端附近存在足够多的散射体，可以形成足够的多径来满足MIMO系统的要求。因此，MIMO技术可以与智能天线技术相结合来得到更大的接收增益。2、下行64QAM调制技术64QAM调制能大幅提高频谱利用效率，特别是在室内场景，会得到比较充分的运用。采用64QAM可以让单载波HSDPA的理论峰值速率达到4.2Mbit/s。根据仿真分析，当信噪比提升到15dB以上时，支持64QAM调制方式开始体现出吞吐量的增益。因此，在无线信道质量较好的场景中，特别是室内场景，64QAM更能体现出吞吐量的增益。3、分组数据业务用户的持续连接（CPC）技术CPC技术是指一类提高分组数据连续连接能力的技术统称。CPC技术允许当用户有不定期数据传输时，以最小的资源开销（码和功率），长时间保持在CELL_DCH RRC连接状态，从而避免用户频繁呼叫或链路重建造成的接入冲突和时延。CPC技术在三个方面对现有 HSPA系统进行优化：1）无需伴随DPCH的HSPA业务降低了HSPA业务对码道资源的需求。在HSPA业务的建立不需要伴随DPCH之后，系统所能支持的用户数不再受限于伴随DPCH所占用的码道数，系统的用户容量得到大幅提升。2）DTX/DRX状态降低终端功耗。在引入DTX/DRX状态后，在没有数据传输时，系统可通知终端进入DTX/DRX状态。在有数据传输时，系统可再将终端从DTX/DRX状态中唤醒。如此终端无需连续监听HS-SCCH信道，降低了终端功耗。3）下行共享信道增强，降低HSPA用户对控制信道的需求。对于周期性的数据发送，HSPA系统必须每次在控制信道上先发送控制信息来通知终端接收，系统所能接入的用户数就受限于系统所配备的控制信道个数，而不是受限于HSPA业务信道的容量。下行共享信道增强技术就是让周期性的HSPA数据传输的首次发送不需要控制信道的信息发送，只有当终端对周期性数据的解码发生错误时，系统在通过控制信道通知终端进行重传数据包的接收。这种方式降低了对控制信道的需求，提升了系统所能容纳的用户数。4、层2增强技术在TD-SCDMA系统中引入64QAM和MIMO技术后，系统的吞吐量得到了极大的提高。这时，现有的无线链路控制（RLC）层和媒体接入控制（MAC）层中的传输机制将对系统中的峰值速率造成限制，层2增强技术主要引入了下面三项改进，降低了传输开销，提高了空中接口资源的利用效率：1）通过引入可变的RLC PDU大小，降低了对RLC PDU的无效填充。采用可变的RLC PDU大小，可以灵活的适配大的数据包和小的数据包，减少了无效填充，提高了空中接口资源的利用效率。2）通过引入MAC层对RLC PDU进行分段，降低了MAC-hs PDU的无效填充。在现有系统中RLC PDU的大小是由RNC决定的，而MAC-hs的包大小是由空中接口质量决定的，两者之间往往不能很好的匹配，在支持MAC层对RLC PDU分段后，可以消除无效填充，提高了空中接口资源的利用效率。3）通过增强MAC层协议，可以在一个TTI内调度多个优先级队列的数据，从而降低了MAC-hs PDU的无效填充。在现有系统中，MAC-hs规定一个TTI只能调度一个优先级队列的数据，有些优先级队列内的数据往往无法填满一个MAC-hs传输块，而空余的部分只能进行无效填充，如此造成空中接口资源的浪费。在支持一个TTI同时调度多个优先级队列的数据后，可以将此类优先级队列和该终端的队列复用到一个MAC-hs包中，提高了空中接口资源的利用效率。5、增强的Cell_FACH技术增强的Cell_FACH提高了Cell_FACH状态下数据业务的速率，降低了传输时延。由于CPC技术增加了Cell_DCH的用户容量，Cell_FACH状态下的用户容量有可能成为系统的容量瓶颈。因此，增强Cell_FACH技术通过一些改进，提高了Cell_FACH状态下的数据传输速率，降低了数据传输时延。增强Cell_FACH技术提出如下的技术改进：1）通过在Cell_FACH状态下采用HSPA技术，提高UE在Cell_FACH状态下的峰值速率；2）通过提高峰值速率，有效降低Cell_FACH/Cell_PCH/URA_PCH状态下的用户面和控制面的传输时延；3）降低从Cell_FACH/Cell_PCH/URA_PCH状态到Cell_DCH状态的转换时延；4）在Cell_FACH/Cell_PCH/URA_PCH状态下引入了UE侧的DRX，从而降低了UE的功率消耗。1.3.3 TD-LTE系统随着移动通信技术的蓬勃发展，无线通信系统呈现出移动化、宽带化和IP化的趋势，移动通信市场的竞争也日趋激烈。为此，3GPP开展了UTRA长期演进（LTE）技术的研究，以实现3G技术向B3G和4G平滑过渡。LTE的改进目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本、更高的系统容量以及改进的覆盖范围。LTE系统同时定义了频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种方式。LTE TDD帧结构是以TD-SCDMA的帧结构为基础的，这就为TD-SCDMA成功渐进到LTE乃至4G标准奠定了基础，我们习惯把适合TD-SCDMA平滑演进的LTE TDD系统成为TD-LTE系统。TD-LTE系统的帧结构采用了先进的OFDM和MIMO技术，成为TD-SCDMA向OFDM+MIMO宽带系统演进的一条重要分支。TD-LTE系统在帧结构、物理层技术、无线资源配置等方面具有自己独特的技术特点，与FDD-TLE相比，具有特殊的性质：1、频谱配置频谱资源是无线通信中最宝贵的资源，随着移动通信的发展，多媒体业务对于频谱的需求日益增加。FDD双工方式占用了大量的频段资源，同时，一些零散频谱资源由于FDD不能使用而闲置，造成了频谱浪费。由于TD-LTE系统无需成对的频率，并且具有一定的频谱灵活性，能有效提高频谱利用率。在频段资源方面，TD-LTE系统比FDD-LTE系统具有更大的优势。2、支持非对称业务第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中，出了提供语音业务之外，数据和多媒体业务将成为主要内容，且上网、文件传输和多媒体业务通常具有上、下行不对称特性。TD-LTE系统在支持不对称业务方面具有一定的灵活性。根据TD-LTE帧结构的特点，TD-LTE系统可以根据业务类型灵活配置TD-LTE帧的上、下行配比。相对于FDD-LTE系统，TD-LTE系统能够更好的支持不同类型的业务，不会造成资源的浪费。3、先进的多天线技术使用多天线技术是未来无线通信技术的发展方向，它能降低多址干扰，增加系统的吞吐量。在TD-LTE系统中，上、下行链路使用相同的频率且间隔时间较短，小于信道相干时间，无线传播环境差异不大，在使用赋形算法或者基于信道反馈的多天线技术时，上、下行链路的互易性使得可以采用开环技术，从而易于获得先进的多天线分集和复用增益，并且能有效降低移动终端的处理复杂性。另外，在TD-LTE系统中，由于上、下行信道的一致，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本。4、与TD-SCDMA系统共存TD-LTE系统能够与TD-SCDMA系统共存。对现有通信系统来说，目前的数据传输速率已经无法满足用户日益增长的需求，运营商必须提前规划现有通信系统向B3G/4G系统的平滑演进。由于TD-LTE帧结构是基于TD-SCDMA的帧结构，能够方便的实现TD-LTE系统与TD-SCDMA系统的共存和融合。2 MIMO空时处理技术空时处理始终是通信理论界的一个活跃领域。由于移动通信的快速发展，对无线链路传输速率提出了越来越高的要求，无线系统设计者面临着许多挑战，这些挑战包括无线频率频谱的有限可用性和复杂的时变无线环境（衰落和多径）。还有，要满足对更高数据率，更好服务质量（QoS），更少的呼叫丢失，更高的网络容量和用户覆盖的要求，就要有改进频谱效率和连接可靠性的革新技术。传统的时频域信号设计很难满足现实需求，在无线系统接收端和/或发送端多天线使用，即通常所说的空时无线或多天线通信，是这些革新技术的措施中出现的巨大进步。多天线分集接收是抗衰落的传统技术手段，在无线通信链接中的接收端和/或发送端使用了多天线开启了一个新维度空间，如果正确的运用就能极大的改进性能。根据香农信息论，空间维数的引入为信号设计增加了额外的自由度，原本在低维空间中难以实现的优化问题，在高维空间中有可能迎刃而解，从而获得更好的系统性能。在一定条件下，采用多个天线发送。多个天线接收（MIMO）系统可以成倍的提高系统容量，信道容量的增长与天线数目成线性关系。纵观MIMO技术的发展，可以将空是编码的研究分为三大方向：空间复用、空间分集与空时预编码技术。空间复用技术，主要获得复用增益，提高数据速率和频谱效率。以Bell实验室的V-BLAST系统为典型代表，证明了MIMO系统的卓越性能。空间分集技术以空时分组码（STBC）和空时格码（STTC）为代表，主要获得分集增益和编码增益，降低误码率，提高传输可靠性。由于正交发分集技术编译码算法简单，且能获得分集增益，已经在3G移动通信系统中得到广泛应用。另一个重要的研究分支是空时格码，目的是将信道编码和多天线系统做联合优化，在天线数目较小的条件下就可以获得相当大的编码增益。空时预编码技术以波束成形和有限反馈技术为代表，主要获得天线增益，抑制公道干扰（CCI），从而提高数据速率，降低差错率。智能天线是波束成形技术的典型代表，已经在TD-SCDMA系统中得到应用，抑制小区间干扰，提高系统容量。有限反馈技术能够灵活的与前两种技术结合，基于接收端反馈的量化信道响应信息，通过编码码本选择，提高系统容量，简化接收机结构，抑制小区间干扰，有限反馈技术已经广泛应用于LTE、WiMax、等B3G移动通信系统中。无线天线和它们的应用领域分三个主要研究方面。第一部分涵盖了天线和天线阵列的电磁设计。这里的目标是满足对增益、极化、波束宽度、旁瓣强度、效率和辐射模式的设计要求。第二部分，是到达角度（AOA）估算，致力于以最小错误和高的分辨率估计波阵面到达天线阵列的到达角度。第三部分技术是对改进频谱效率，覆盖度和无线链路质量的无线阵列的使用。天线增益到达角度（AOA）估算链接性能增益带宽辐射模式尺寸错误方差偏差分辨率覆盖度质量干扰减少频谱效率2.1 MIMO系统的信道模型2.1.1 SISO信道以h(,t)作为时变信道脉冲响应，如果发送信号为s(t)，则接收到的信号y(t)由下式给出y(t)=h(,t)*s(t)2.1.2 SIMO信道考虑一个带有MR接收天线的SIMO信道。SIMO信道可以被分解为MR个SISO信道。用hi(,t)表示发送天线和第i个（i=1,2,MR）接收天线之间的脉冲响应，则信道可用MR1向量h(,t)表示，则接收信号可表示为y(t)=h(,t)*s(t)其中yi(t)为第i个接收天线接收到的信号。2.1.3 MISO信道考虑一个带有MT发送天线的MISO信道，与SIMO信道类似，MISO信道由MT个SISO信道组成。用hj(,t)表示第j个(j=1,2,MT)发送天线和接收天线之间的脉冲响应，MISO信道可以用1MT向量h(,t)表示，同样的，接收信号可表示为y(t)=h(,t)*s(t) 其中sj(t)为第j个发送天线发送的信号。2.1.4 MIMO信道考虑一个带有MT个发送天线和MR个接收天线的MIMO信道，用hi,j(,t)表示第j个(j=1,2,MT)发送天线和第i个（i=1,2,MR）接收天线之间的脉冲响应，MIMO信道可用MRMT矩阵H(,t)表示，则MIMO信道的输入-输出关系可表示为y(t)=H(,t)*s(t)其中yi(t)为第i个接收天线接收到的信号，sj(t)为第j个发送天线发送的信号。2.1.5 经典独立同分布（IID）信道模型若以散射体相同作为前提，那么MRMTMIMO信道H()就能被建模为H=(-0maxS,ab()Tdd)g=Hg()H的元素可以建模为单位方差独立零均值循环对称复平稳高斯随机变量。那么有H=HW，即独立同分布（白色空间，Spatially White）信道。以下为HW的一些特性：HWI,j=0|HWI,j|2=1HWI,jHW*m,n=0如果im或jn分别去掉行和列就可以把MIMO信道HW限定为SIMO信道和MISO信道。2.1.6 H的奇异值秩为r的MRMT信道矩阵H，有奇异值分解法（SVD）H=UDVH这里U和V分别为MRr和MTr的酉矩阵，D为r阶对角矩阵。2.1.7 空时信道估计1、接收端空时信道估计在SISO系统中，信道是由接收端使用发送端发出的训连信号来估计的。通常选用的训练序列具有很好的自相关特性。需要信道估计精度取决于使用的调制阶数，通常信道估计错误应该在加性噪声功率的10dB一下。信道估计的频率由多普勒扩展决定。在SIMO系统中训练序列处理也是一样的，每个接收天线用自己的信号来信道估计，而不需要额外的训练能量。在多天线发送系统中，需要尽量保证来自多天线的训练信号在在某些维度是相互正交的，如时间（不同的时隙）、频率（OFDM中的不同基频）或编码（不同的正交码）。正交信号在大多数环境下能够对给定发送功率提供最佳估计准确度。好的寻来年序列应该有好的自相关和互相关特性。在频率和时间选择性空时信道的信道估计中，通常接收端在足够的Nyquist频率和时间间隔估计信道，完整信道通过插值来决定。2、发送端空时信道估计发送端的信道估计使用两种常用技术，第一种是当信号传送通过信道时，在终端接收机估计出前向信道后，接着在反向链路上发送回基站，即反馈。第二种是利用双工传输的互易性原理，基站首先估计反向链路信道，然后对前向链路信道使用这个估计，但利用互易性原理进行信道估计必须特别注意适用条件，要达到可靠发送信道估计必须非常小心。2.2 MIMO系统的信号模型假定一个MIMO系统具有MT个发送天线，MR个接收天线，假设每个符号周期系统发送的信号为MT1维列矢量x，其中第i个分量xi表示从第i个天线发送的信号。发送信号的协方差矩阵可以表示为Rxx=E(xxH)则系统发射总功率P可表示为P=Tr(Rxx)即发射总功率为发送信号协方差矩阵的迹。一般的，可以假设每个天线的发射功率相同，都为P/MT。则发射信号的协方差矩阵可以表示为Rxx=PMTIMT其中IMT表示MTMR维单位矩阵。接收机噪声矢量可以表示为MR1维列矢量n。该矢量的分量都是0均值独立同分布高斯随机变量，实部于虚部相互独立，且具有相同的方差。则接收噪声矢量的协方差矩阵可表示为Rnn=EnnH=2IMR由于每个天线的接收功率等于所有天线的发送总功率，因此定义系统信噪比为SNR=P2它独立于发送天线数目MT。接收矢量可以表示为r=Hx+n由此可得，接收信号的协方差矩阵为Rrr=ErrH=HRxxHH+Rnn=PMTHHH+2IMR2.3 MIMO系统的信道容量由信息论，系统信道容量可以定义为在差错概率任意小的条件下，系统获得的最大数据速率。SIMO和MISO信道的容量是MIMO信道容量的特殊情况，并且可以根据发送端是否知道信道，利用同样的计算方法来计算。2.3.1 发送端不知道信道这种情况下发送端未知信道响应矩阵，而接收端却可以精确估计信道衰落。这就意味着信号是独立的且在各发送天线上发送功率相等。对信道响应矩阵H进行奇异值分解得H=UDVH这里U和V分别为MRr和MTr的酉矩阵，D为r阶对角矩阵。对角矩阵D的元素是矩阵HHH特征根的非负平方根。由此，接收矢量可表示为r= UDVHx+n引入如下的矩阵变换r=UHrx=VHxn=UHn接收信号分量并不依赖于发送信号，即信道增益为0。而只有r个信号分量与发送信号有关。则上述MIMO系统可以看做r个独立的并行子信道的叠加。每个子信道的增益为H矩阵的一个奇异值。对于信号矢量r，x及n，可以得到它们的协方差矩阵与迹为Rrr=UHRrrURxx=VHRxxVRnn=UHRnnUTr(Rrr)=Tr(Rrr)Tr(Rxx)=Tr(Rxx)Tr(Rnn)=Tr(Rnn)由此可知，矩阵变换前后信号矢量的功率相同。假设每个天线的发送功率为P/MT，利用香农信道容量公式，可得MIMO系统的信道容量为C=Wi=1rlog2(1+iPMT2)可见，MIMO信道容量与信道响应矩阵有关。经过一系列计算推导，可得MIMO系统的信道容量公式为C=Wlog2|PMTHHH+2IMR|2IMR|=Wlog2|IMR+PMR2HHH|2.3.2 发送端知道信道通过来自接收端的反馈或是由双工系统中的互易性原理可以保持发送端确知信道。当发送端和接收端都知道信道时，可以通过发送端和接收端的线性处理单信道模式接入。MIMO信道的容量是单个平行SISO信道容量之和，由下式给出C=Wi=1rlog2(1+iPMT2)因为发送端可以接入空间子信道，它就可以在子信道中分配可变的能量来最大化互信息。现在互信息最大化问题就变成了C=maxWi=1rlog21+iPMT22.4 空间分集2.4.1 分集增益无线链接被通过空间，时间和频率的信号强度的随机波动所削弱，这通常被认为是衰落。分集给接收端在同样的发送信号提供多个（理想的为独立）表象。每个表象构成一个分集分支。随着独立分集分支数量的增加，所有分支在同一时刻衰落的概率就急剧下降。这样分集技术就使无线链接更加稳定。假设有符号s，来自于一个有单位平均能量的标量星座，要被发送，发送端和接收端之间有M个相同的独立Rayleigh衰落链接。在所有分集分支中都是频率平坦衰落的情况下，接收端可以见到发送信号的多个独立衰落的版本yi=PMhis+ni i=1，2，M其中yi是对应于第i个分集分支的接收信号，P/M为符号能量，hi是对应于第i个分支的信道传输函数，ni是方差为2的加性零均值循环对称复高斯噪声。假设有发送信号s的多个衰落版本，通过一种被认为是最大比合并（MRC）的技术来最大化接收端的后处理信噪比。假设接收端完全知道信道，M个接收信号可根据下式合并起来zi=1Mhi*yi且由下式给出=1Mi=1M|hi|2其中=P/2可以解释成SISO衰落链接中接收天线的平均信噪比。假设接收端有最大似然检测，平均误符号率Pe是由下式限定上界的PeNei=1M11+dmin2/4M在信噪比较高时，可以简化为下式PeNedmin24M-M分集影响了对数对数标度中的误符号率对信噪比（）曲线的斜率，斜率的大小与分集重数M相同。当存在无穷分集时，衰落就被完全削弱了。虽然分集和编码都能改进系统性能（减少错误率），但这两种增益的本质非常不同。分集增益是通过增加误符号率斜率的大小来表现的，而编码增益却是把错误率曲线向左平移。分集增益引起的信噪比优势随分集重数的增加和目标错误率的降低而增加。另一方面，在足够高的信噪比时，编码增益通常是恒定的。2.4.2 接收天线分集考虑一个发送端有一个单天线而接收端有多个天线的系统（SIMO信道）。假设平坦衰落的情况下，这个系统的信道向量为h。假设发送的符号s是来自与一个单位平均能量的标量星座，则信道的输入输出关系可以表示为y=Phs+n其中y是MR1接收信号向量，h为系统的信道矢量，n为加性零均值循环对称复高斯噪声。接收端的信噪比由下式给出=|h|F2假设h=hw，这种信道的平均误符号率为下式PeNei=1MR11+dmin2/4在高信噪比是可化简为PeNedmin24-MR因此，接收端的平均信噪比（）=MR除了分集增益，接收端的平均信噪比被因子MR通过一个标准SISO而增加了，这是由阵列增益引起的。误符号率随着系统中接收天线的数量而改进。阵列增益的影响与编码增益的影响相类似（即导致曲线的平行左移），并且是严格独立于信噪比的。接收分集技术可以获取完整分集增益和阵列增益。性能改善与使用的接收天线数量呈比例。2.4.3 发送天线分集由于价格或空间的限制，在终端接收端布置多天线往往是不现实的，作为取代，与发送天线分集技术结合，在发送端使用多天线正日趋流行。在发送端有多天线的系统中利用空间分集要求信号在发送前被预处理或预编码。1、发送端未知信道MISO假设发送端有两个天线，接收端有一个单独的天线。考虑使用Alamouti方案。在这种技术中，第一个符号周期天线1和2分别发送不同的符号s1和s2，接下来在下一个周期从天线1和2分别发送信号s2*和s1*。信道h=h1，h2和这两个符号周期中接收到的信号y1和y2由下式给出y1=P2h1s1+P2h2s2+n1y2=-P2h1s2*+P2h2s1*+n2接收端形成一个重新排列的信号向量y，可表示为y=y1y2*=P2h1h2h2*-h1*s1s2+n1n2=P2Heffs+n有效信道矩阵Heff是正交的。计算可得，一个符号的接收信噪比由下式给出=|h|F22假设h=hw，在高信噪比条件下平均误符号率上限依照下式PeNedmin28-2发送端不知道信道的情况不允许阵列增益，故由于阵列增益，接收分集要优于Alamouti方案。2、发送端已知信道MISO考虑一个有MT发送天线和频率平坦衰落的MISO系统。信道矢量h为h=h1h2hM要利用空间分集，信号在被适当加权以后从每个发送天线发送出来，这样信号的接收天线同相的到达并且相干相加。接收端的信号由下式给出y=PMThws+n其中，y是接收信号，h是信道传输向量，w是MT1维的权向量，n是零均值循环对称复高斯噪声。使接收到的信噪比最大化的权向量w由下式给出w=MThH|h|F2这种方案被认为是发送最大比合并（transmit-MRC）。假设h=hw，平均误符号概率由下式给出上限PeNedmin24-MT因此，在存在独立同分布Rayleigh衰落时，发送最大比合并传送MT重分集，平均接收信噪比为（）=MT接收端的平均信噪比在一个SISO链接上通过MT因子来改进，并且它是发送阵列增益。因此，如果发送端完全知道信道，发送最大比合并将传递阵列增益和分集增益。虽然提供同样的分集增益，但由于阵列增益，发送最大比合并要优于Alamouti方案。此外，有M个发送天线的MISO系统使用发送最大比合并将会与有同样接收天线数目且使用接收最大比合并的SIMO系统具有相同的性能。3、发送端未知信道MIMO考虑一个带有两个发送天线和两个接收天线的MIMO系统，可以使用Alamouti方案在此系统中获取分集。同MISO系统一样，在第一个符号周期天线1和2分别发送不同的符号s1和s2，接下来在下一个周期从天线1和2分别发送信号s2*和s1*。假设在连续的符号周期信道保持恒定，同样假设一个频率平坦信道。信道矩阵H为H=h1,1h1,2h2,1h2,2且在连续符号周期接收天线阵列上的信号为y1和y2，有y1=P2h1,1h1,2h2,1h2,2s1s2+n1n2y2=P2h1,1h1,2h2,1h2,2-s2*s1*+n3n4接收端根据下式得到一个信号矢量yy=y1y2*=P2h1,1h2,1h1,2h2,2h1,2*h2,2*-h1,1*-h2,1*s1s2+n1n2n3*n4*=P2Heffs+n注意到有效信道矩阵Heff是正交的。相应的的接收信噪比由下式给出=|H|F22假设H=Hw，则在高信噪比时的平均误符号概率的上限可由下式给出PeNedmin28-4所以，虽然发送端未知信道，Alamouti方案获取了MTMR重的分集（在这里是四重）。因此对H=Hw，接收端的平均信噪比为（）=2故当发送端未知信道时，Alamouti方案只能获得接收阵列增益。4、发送端已知信道MIMO考虑一个有MR接