【网安学术】大规模MIMO TDD系统信道互易性研究

摘要：信道互易性被认为是大规模MIMO TDD系统最重要的优势之一。然而，在实际系统中，上下行信道由于信道时变、干扰不对称、射频增益不对称等情况的存在，信道并不完全互易。为了有效利用互易性，提高系统性能，互易性补偿方法成为研究热点。鉴于此，研究时变、干扰不对称、射频增益不对称等引起的大规模MIMO TDD系统信道互易性损失的问题，分析信道预测、闭环补偿和干扰抑制、天线校正等信道互易性损失补偿方法，对比补偿方法存在的局限性和不足，并对进一步的研究提出了相关建议。

正文内容：

0　引　言

MIMO技术利用多根发射天线和多根接收天线进行传输，可以在不需要增加频谱资源和发射功率的情况下，成倍提高系统容量。然而，随着无线通信技术的发展，无线数据业务以惊人的速度快速增长，传统的MIMO技术已无法满足日益增长的无线数据业务。

2010年，贝尔实验室科学家Thomas L. Marzetta提出了大规模MIMO（Massive MIMO）的概念[1]，在基站配置大规模天线（几十至上千），利用巨大的阵列增益大幅度提高频谱效率和系统容量。同时，大规模MIMO还可以降低信号处理算法复杂度，并有效降低基站的功耗和成本。大规模MIMO的优势使得其被认为是未来5G最具潜力的传输技术[2]。

大规模MIMO TDD系统中，上下行链路的传播特性基本相同，因此上下行信道具有互易性。上行链路估计出信道状态信息（Channel State Information，CSI）后，下行链路的CSI可以利用信道互易性获得。然而，现实情况中，上行信道与下行信道并不完全互易。造成上下行信道互易性损失的主要原因是：信道时变、干扰不对称以及射频增益不对称。

针对信道时变引起的信道互易性损失，利用信道预测对未来时刻的信道进行预测[3-4]；针对干扰不对称引起的信道互易性损失，通过闭环算法补偿干扰不对称[5-6]或通过干扰抑制算法抑制邻小区干扰以及同小区其他用户的干扰[7]；针对射频增益不对称引起的信道互易性损失[8-10]，利用天线校准使所有天线具有相同的射频增益。

本文主要探讨信道互易性补偿方法，对当前存在的补偿方法和算法进行综述。分析引起信道互易性损失的原因和相应补偿方法的基本思想，总结补偿算法对系统性能的改善效果，并展望未来的研究方向。

1　信道互易性损失问题描述

假设发射天线数为NT 根，接收天线数为NR ，信道矩阵为，上行信道矩阵为Hu ，下行信道矩阵为HD 。大规模MIMO系统中，采用特征模式传输可显著提高系统性能。因此，假设发送端采用基于SVD的特征模式传输。

对矩阵进行SVD分解得到：

其中，U 和V 分别为NR 和NT 阶的酉矩阵，U 的列向量是 的特征向量，V 的列向量是 。，为矩阵 的特征值。发送端用上行估计信道矩阵Hu 分解得到的Vu 对信号进行预编码，信号经实际信道传输到达接收端，接收端用下行估计信道矩阵HD 分解得到的对信号进行解预编码。

1.1　时变引起的信道互易性损失

当信道理想时不变时，利用信道互易性，可通过上行链路前一时刻估计的信道矩阵Hu 获得当前时刻下行链路的信道矩阵，即 。然而，当信道时变时，上行链路估计的CSI与下行链路的数据传输存在时延，即发送端掌握的前一时刻上行链路估计的信道矩阵Hu 对当前时刻下行链路是过时的，信道互易性被破坏[3]，此时。受时变影响的信道传输情况，如图1所示[11]。假设t 为当前时刻，前一时刻估计的上行链路CSI与当前时刻下行链路数据传输之间的时延为。

从图1可看出，发射端采用前一时刻估计的上行信道分解得到的对信号进行预编码，接收端用当前时刻的下行信道Ht 分解得到的对信号进行解预编码。由于与不匹配，因此若继续利用信道互易性，采用 和 作为预编码和解预编码会产生较大误差，导致系统容量下降。

1.2　干扰不对称引起的信道互易性损失

信道时不变不存在干扰，仅存在高斯白噪声时，假设信道估计准确，可得到。此时，Vu 与匹配。当存在干扰时，由于上下行链路干扰结构（干扰等级、频率/时间选择性和空间相关性）差异很大[6]，上下行链路的干扰不对称，此时

。理想时不变信道下，受干扰不对称影响的信道传输情况，如图2所示。

从图2可看出，当存在干扰时，。由于Vu 与不匹配，因此若继续利用信道互易性，采用Vu 和作为预编码和解预编码会产生较大误差，导致系统容量下降。

1.3　射频增益不对称引起的信道互易性损失

实际系统中，有效信道包括三部分：发射端射频（RF）链路，无线传播信道和接收端射频链路。信道理想时不变时，无线传播信道是互易的。然而，不同天线使用的收发射频链路不同，且不同天线的射频链路的响应特性会受到很多因素影响，如温度、湿度等[12]。

设基站的发送端和接收端的射频增益矩阵分别为TBS 和 RBS，无线传播信道矩阵为Hw ，移动终端的发送端和接收端的射频增益矩阵分别为TMS 和 RMS，则受到射频增益影响的等效上下行信道矩阵分别为：

理想时不变信道下受射频增益不对称影响的传输情况如图3所示。 

实际系统中，且，因此，信道不具有互易性[12]。因此，若继续利用信道互易性，利用上行信道CSI获得下行信道CSI，会产生较大误差，导致系统性能恶化。

2　信道互易性补偿方法

信道时变、干扰不对称、RF增益不对称等因素会造成信道不互易。此时若仍利用信道互易性通过上行信道CSI获得下行信道CSI，会严重影响系统性能。因此，互易性补偿方法的研究尤为重要。下面讨论不同因素造成互易性损失的补偿方法及基本原理，并总结相关研究成果。

2.1　信道预测

信道预测是针对信道时变引起互易性损失提出的解决方案。移动通信系统中，CSI的获取需要以降低系统容量为代价。信道预测可以在不降低系统容量的情况下改善系统性能，利用已经准确估计的信道CSI预测下一时刻或更长时间内的CSI，通过预测到的当前时刻上行链路CSI获得下行当前时刻下行链路CSI。

文献[3]提出了基于AR预测模型的递推预测法，利用已经准确估计的多个上行链路CSI，预测与最后一个上行链路不相邻的任意时刻的下行链路CSI。文献[4，13]提出了基于LS-SVM（最小二乘支持向量机）的信道预测方法，利用非线性预测更准确地对时变衰落信道进行预测；文献[4]在LS-SVM的基础上，利用多项式拟合作为辅助用于信道的长期预测，提出了基于先拟合和后拟合的LS-SVM信道预测。仿真结果显示，相比基于后拟合的LS-SVM信道预测，基于先拟合的LS-SVM信道预测对互易性损失的补偿效果更明显且复杂度更小。文献[14]提出了长短期联合信道预测，长期预测以帧为间隔，短期预测以子帧为间隔。通过长期预测对较长时间的CSI进行统计，利用更多的CSI提高预测精度，从而辅助短期预测，减少累计误差造成的系统损失，有效补偿了信道互易性损失。

2.2　闭环补偿和干扰抑制

闭环补偿干扰抑制是针对干扰不对称引起互易性损失提出的解决方案。干扰抑制通常在基站进行，主要是由于基站的设计通常不受体积和复杂度的限制。通过干扰抑制降低其他用户的干扰，减小干扰以及干扰不对称的影响，从而补偿信道互易性损失。

文献[5-6]提出了一种闭环补偿算法，移动终端通过接收帧估计出误帧率，将估计误帧率与目标误帧率进行比较，确定功率偏移值并将其反馈给基站，基站依据功率偏移值调整发送参数，从而补偿干扰不对称带来的互易性损失。文献[15]采用了文献[5-6]类似自适应的闭环补偿算法，省略了估计误帧率，移动终端仅将接收帧是否正确的信息反馈给基站，基站依据收到的反馈信息增加或减少估计干扰功率。

文献[7]提出了有别于文献[5-6，15]的方法，利用互易性，通过上行链路估计的用户干扰以及上下行链路基站与用户发射功率的信息，得到下行链路的干扰，因此无需反馈信息。针对多小区多用户情况提出了基于泄露的干扰抑制算法，在抑制相邻小区和本小区其他用户干扰的同时，最小化每个用户对其他用户泄露的干扰，从而提高整个系统的性能。

2.3　天线校准

天线校准是针对射频增益不对称引起互易性损失提出的解决方案。天线校准有两种方式：完全校准和相对校准。完全校准需要借助满足严格要求的外部参考源[8]，而相对校准则不需要外部设备，通过在信号发射前利用算法对射频增益间的差异进行补偿[16-17]。因此，相对校准的实现更容易且成本较低。关于利用天线校准补偿射频增益不对称的绝大部分研究都是基于相对校准进行的。

文献[8-10]采用自校准，通过借助参考天线调整所有天线使其RF增益相同，即令TBS 、RBS 成为单位矩阵。文献[10]的分析论证以及文献[18]得仿真结果都说明，移动终端是否进行天线校准对系统性能的影响不大，而基站是否进行天线校准对系统性能影响非常大。

在CoMP系统中，不同基站之间的校准很难通过自校准实现，因此提出了OTA（over-the-air）校准[18-21]，通过空中接口获取天线的射频增益进行基站间的校准，使得不同基站的射频增益相同。文献[19]通过选取一个帮助移动终端实现基站间的校准，由于OTA校准准确性取决于基站和帮助移动终端间的链路质量，所以分别针对单小区和多小区CoMP系统提出了“最优SINR方案”和“连接最优SINR方案”，通过选择合适的信号与干扰加噪声比，帮助移动终端提高系统容量。文献[18]提出了自校准与OTA校准相结合的校准方式，首先在基站进行自校准，然后在基站间进行OTA校准，并通过仿真说明了该方法在采用块对角化预编码和迫零预编码系统中可有效提高系统性能。

3　结　语

本文较全面地综述了不同因素引起的信道互易性损失和针对不同信道互易性损失可采取的补偿方法。目前，信道时变引起的互易性损失主要通过信道预测方法进行补偿；干扰引起的互易性损失可通过闭环算法和干扰抑制算法进行补偿；射频引起的互易性损失通常采用相对校准的方法，利用自校准对某一个基站的所有天线进行校准，利用OTA校准对基站之间的射频增益差异进行校准。

通过以上分析不难发现，已有的几种信道预测算法都是针对多小区单用户的预测，可以考虑对多小区单用户的预测推广到对多小区多用户的预测。提及的干扰抑制仅考虑了本小区以及邻小区用户的干扰，没有考虑其他类型的干扰，如多址干扰等，存在一定的局限性。

已有研究成果很多是针对某一种原因引起的信道互易性提出的，综合考虑多种因素导致的信道不互易的研究非常少，因此可以针对该方面进行进一步研究。

参考文献：

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作者：邢移单

单位：同济大学浙江学院，浙江 嘉兴 314051

作者简介：邢移单，女，硕士，讲师，主要研究方向为宽带通信网络与技术。

本文刊登在《通信技术》第10期（转载请注明出处，否则禁止转载）

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