基于协作MIMO的移动通信关键技术研究

    现有的移动通信系统(如3G,HSPA)都是基于传统的蜂窝网结构，在不同站点间没有协作式传输，因此提供了非常有限的频谱效率(仅为IMT-advanced要求的10~20%)，远不能满足目前日益增长的移动多媒体业务的发展。为进一步提高系统频谱效率，本课题将结合已在现行3G系统中广泛应用的多输入多输出（MIMO）技术，研究基于MIMO的基站间的协作多点传输技术、更深入的多用户间协作传输技术和基于多中继的协作多点传输技术，从而提升系统小区边缘的性能，突破传统蜂窝网中单点传输单小区调度等造成的性能瓶颈，最终有效地改善蜂窝边界用户的吞吐量，同时提高系统平均频谱利用率。

    项目背景和意义：

    作为新一代宽带移动通信系统的IMT-Advanced（简称IMT-A）对用户业务速率、覆盖、频谱效率等指标提出了更高的要求。根据国际电信联盟ITU对IMT-A的规划，在低速移动的环境下支持高达1Gbps的峰值传输速率，在高速移动环境下也要支持高达100Mbps峰值速率的移动接入，需要的传输带宽可达100MHz。  为满足100MHz的传输宽带要求，只能让系统工作于更高频段，例如2GHz以上。而更高的工作频段意味着路径损耗变大，这将导致基站有效覆盖半径变小，组网代价增大。使用多天线的MIMO技术能够充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线总发送功率的情况下，可大大提高系统的频谱利用率和信道容量。但移动终端通常无法配置多根间距足够大的天线，从而影响了分集度的提高。即使在目前正在研发的LTE、WiMAX系统中，引入了多天线技术和简单的多用户MIMO，其频谱效率也仅仅达到IMT-A要求的30%～50%。究其原因，现有移动通信系统没有小区间的协作，而用户间的协作方式也因天线数目和系统复杂度等原因而过于简单，因此不得不面临小区间干扰严重制约系统的边缘频谱效率，而基于OFDM的正交多址接入和简单多用户多天线技术，限制了天线复用和分集增益，虽然简单但限制了系统的平均频谱效率。  另外，IMT-A也对提高小区边缘和覆盖盲区或弱区的频谱效率有更高的要求。在这种情况下，要在较大覆盖范围内实现高数据速率，采用微蜂窝（Micro cell）或使用直放站（repeater）是较为直接的两个方法。使用直放站，虽设备价格低且部署迅速，但干扰信号也被同时放大，实际的性能改善效果有限。若采用微蜂窝必然要降低小区的覆盖面积并相应要增加基站数量，这无疑将增加运营商的组网成本。  因此，进一步提高系统频谱效率完全有必要引入基于多天线技术的基站间的协作多点传输、更深入的多用户间协作传输、基于多中继的协作多点传输，从而提升系统小区边缘的性能，突破传统蜂窝网中单点传输单小区调度等造成的性能瓶颈，达到IMT-A的系统性能要求。这里的点意味着一个固定的网元，可以是基站，手机终端，也可以是中继站。融合协作多点技术的MIMO传输的意义在于它打破了原来单独考虑的点到点的传输方式，充分利用各种多站点传输所带来的性能增益，从而使得传输效率大大提高。  

    研究开发内容及主要创新点：

    邻近小区的同频干扰是限制蜂窝网络性能进一步提高的主要瓶颈。因此为解决低频率重用情况下严重的邻小区干扰问题，提高蜂窝小区边缘用户速率和小区系统容量，本课题将重点研究多基站协作MIMO技术和多中继协作MIMO技术，分别详述如下：  多基站协作发送、接收机制作为一种新型技术得到了无线通信网络研究的广泛关注。在这类技术中，其基本思想是对一个或多个用户，由多个相近的基站进行服务(发送，接收数据)。通过在多个基站的协作，使得在不增加天线的前提下，可引入更多的接收发送天线，增加空间自由度。从而获得额外的分集增益和复用增益。获得的额外空间自由度可用于抑制邻小区干扰，或者提供多路信号发送、接收，得到分集增益。在本课题中我们针对多基站协作的不同应用策略和不同应用场景，提出了多种协作多点网络MIMO和协作MIMO传输技术。初步研究显示，多基站协作MIMO技术可有效地改善蜂窝边界用户的吞吐量，同时提高系统平均频谱利用率。并通过用户间干扰测量反馈辅助的多用户MIMO调度机制，极大改善了多用户MIMO的实用性，使其能很好地满足IMT-Advanced的性能要求。  当用户远离站点时，例如在小区边缘，目前没有特别好的技术可以改善服务传输性能以增加谱效率。而协作中继技术对解决以上这些问题是特别合适的选择。为了充分发挥中继技术的效能，可以利用多中继构建虚拟的多天线阵列，通过多个中继的协作工作，以提高通信链路的可靠性或网络容量。协作中继的基本工作方式可分为协作分集和协作复用。协作分集是通过多个中继形成多天线阵对目标用户的业务进行转发，使目标用户获得空间分集增益。在基于多中继构成的多天线阵方案中，还可以利用各种反馈信息，以进一步提高协作中继增益。协作复用是通过中继构成的多天线阵为目标用户进行复用传输，以提高系统的吞吐量。协作复用需要提供较多的反馈信息，通过一定的数据分割方法将目标用户数据分割后通过多个协作中继节点转发给目标用户。协作中继技术不仅可以用于下行传输，也可以用于上行传输。 

    主要创新点：

    （1）多基站协作MIMO和网络MIMO。提出了仅仅需要基站间交换长时信道信息的多基站协作MIMO方案，从而大幅降低了交互数据量，减少了回程传输的需求。

   （2）多中继协作MIMO。利用多中继构建虚拟的多天线阵列，通过多个中继的协作工作，以提高通信链路的可靠性或网络容量。