基于虛擬MIMO的TD-LTE終端省電機制*

李方偉 彭喻瑋

（重慶郵電大學移動通信重點實驗室 重慶 400065）

1 引言

移動通信終端是移動通信系統的重要組成部分，是移動通信系統與用戶間的“接口”，在綜合評價終端的整體性能時，不僅要考慮對業務功能的支持能力，更要重點關注終端的總體性能。其中，終端的耗電性能是評價其總體性能的一項重要指標，一直是業界非常關注的問題。然而，對于TD終端而言，隨著系統演進到LTE，將支持更高速數據傳輸和視頻電話等豐富多媒體應用，為此增添了復雜的物理層數字信號處理和高層協議棧軟件處理，大大增加了終端省電處理難度，也對終端的省電機制的性能提出了更高要求。

TD-LTE系統的速率躍升為100Mbit/s級別以上，除了支持普通速率的數據業務以外，還支持高速率的下載和視頻電話等豐富的多媒體應用。為此，終端必須支持更高的運算速度和傳輸速率，大大增加了基帶部分和射頻部分的能耗。TD-LTE系統采用了與早期系統不同的物理層關鍵技術[1]，例如MIMO、OFDMA等，這些技術也必然增加系統的能耗。以MIMO為例，由于采用了更為復雜的數據處理技術，基帶芯片需要完成更多的運算任務，芯片消耗的電能比SISO更多。因此，終端的能耗問題已經成為決定TD-LTE終端能否被用戶廣泛認可的主要因素之一。

對于終端的上行傳輸而言，如果綜合考慮傳輸能耗和電路能耗，MIMO的能量效率比較差。同時基于硬件復雜度考慮，TD-LTE標準中上下行傳輸采用虛擬MIMO(Virtual MIMO)技術來替代MIMO技術，以降低終端的能耗與硬件復雜度[1,10]。虛擬MIMO的基本思想是終端上行傳輸仍然使用單天線，但多個終端的天線可以構成虛擬的多天線陣列，通過協同實現傳輸。目前關于蜂窩網絡中虛擬MIMO的研究已經獲得了豐富的成果。在文獻[2、3]中，最早提出虛擬MIMO的方案；文獻[2]在發射端利用空時分組碼對發射數據進行編碼，并分析了MQAM對能耗和發射速率的影響，得出了不同距離的最佳調制選擇，在相同條件下，相比SISO能耗大大減少；文獻[3]利用V-BLAST結構，將簇內的單個節點看作一層，此方案比起文獻[2]中的方案，能實現更大的能耗節約，但接收機實現較復雜；文獻[4]針對3G LTE中的SC-FDMA和虛擬MIMO技術，展開了深入的無線資源管理技術研究，包括小區間干擾抑制、虛擬MIMO用戶配對，跨層調度算法等；文獻[5]研究了基于幾何統計信道模型虛擬MIMO系統的合作通信分集協議，通過高質量用戶間信道的合作提高了虛擬MIMO系統的總吞吐量；文獻[6]研究了基于虛擬MIMO合作通信無線傳感器網絡的節能問題；文獻[7]為了解決無線傳感器網絡的節能問題提出了一種基于V-BLAST技術的虛擬MIMO傳輸方案，該方案比基于Alamouti的虛擬MIMO傳輸方案更適合用于能量高效的無線傳感器網絡。

通過對上面的文獻研究發現，現有虛擬MIMO的技術主要是針對如何實現協同以提高傳輸速率，虛擬MIMO的能量效率研究主要是針對無線傳感器網絡。因此，如何提高TD-LTE系統中MIMO的能量效率還有待進一步研究。本文中，第二部分介紹了虛擬MIMO系統原理，第三部分對虛擬MIMO現有配對準則進行了分析，第四部分，分析了虛擬MIMO技術在TD-LTE系統中用來提高能量有效性的可能，并提出了基于虛擬MIMO的TD-LTE終端省電機制的方案構想。

2 虛擬MIMO系統原理

TD-LTE上行系統中，采用上行的虛擬MIMO技術[1]，來實現數據協同傳輸。該技術也可以看作是一種空分復用技術。此項技術可以動態的將多個基于單天線發送的終端配成一對，形成虛擬MIMO發送。這樣，多個信道具有較好正交性的終端可以共享相同的時-頻資源，從而提高上行系統的容量。在實際應用中，一般將2個終端配成一對，形成2×2的虛擬MIMO，如圖1所示。

虛擬MIMO相對傳統的MIMO來說，除了每個用戶只需要一根天線的設備復雜度的顯著優勢，主要還有以下的好處。

（1）提高了多用戶分集，對于傳統的MIMO系統來說，所有的MIMO信號來自同個用戶的所有天線，因此即使發送天線是不相關的，信道矩陣也不是很好；而對于虛擬MIMO而言，信號來自不同的用戶，如果這些用戶的信道衰落是不相關的，調度器便可根據各用戶的瞬時信道質量來分配資源，獲得多用戶分集增益和更高的系統吞吐量；

圖1 虛擬MIMO示意圖

（2）可以通過基站調度器選擇近似正交的信道來選擇用戶組成虛擬MIMO傳輸，這樣在維持無線鏈路的魯棒性的同時提高了系統吞吐量；

（3）虛擬MIMO合作模式中，由于基站可以方便的知道所有用戶的信道信息，用戶決策反饋干擾消除的空間復用可以通過基站完成，用戶終端除了導頻需要正交外，和一般的終端沒有區別，從而用戶終端的復雜度可以大大減少；

（4）虛擬MIMO合作模式中，由于是不同的用戶組成的多天線發射，因此每個用戶的發射功率還是一個單位，而不像傳統的MIMO的多天線發射，是同個用戶的不同天線，因此每根天線的發射功率只有1/M個單位（假設每個用戶有M根天線）。因此，從基站的角度而言，接收到的上行傳輸功率得到提高。

3 虛擬MIMO現有配對準則的分析

在TD-LTE虛擬MIMO系統中，為了最大化系統信道容量，在基站需要選擇恰當的用戶，配對成虛擬MIMO，以便利用配對而成的虛擬MIMO信道矩陣特性，最大化系統吞吐量。最基本的思想是讓兩個配對用戶的信道彼此正交[8]，因為實際網絡中，用戶信道往往并不正交，如果配對用戶信道正交性不好，將導致嚴重的吞吐量衰減，所以需要通過調度來使得信道盡量正交化[9]。文獻[10]中顯示，如果采用隨機配對方法，不考慮用戶信道匹配性，虛擬MIMO相對SIMO的頻譜效率提高非常有限。

由于存在多小區干擾，以及網絡規劃的不完美，和部分覆蓋不好的深度衰落區，即便在有功率控制補償不同用戶路徑損耗和陰影衰落前提下，不同用戶到達基站的信號SINR仍然不同，有部分用戶可能SINR遠低于其他用戶。所以單純正交不能保證系統總信道容量最大，需要以配對后的總信道容量作為配對準則。此外，使得虛擬MIMO配對矩陣最小奇異值最大化[11]等配對方案，其調度精度相對較低。如何尋找一個簡單的配對準則，成為提高虛擬MIMO系統效率的關鍵。文獻[12]中給出了若干種虛擬MIMO的用戶配對準則，現介紹如下。

3.1 隨機配對方法

所謂隨機配對，就是隨機挑選出2個用戶搭配成一對，其優點是配對方式簡單，配對用戶的選擇隨機生成，計算復雜度低，缺點是無法合理利用信道矩陣特性，無法得到最大化的信道容量。

3.2 正交配對方法

因為當MIMO矩陣列向量正交性越好時，就越容易將兩發射信號分開，所以此調度算法選擇正交因子最大的用戶進行配對。此算法的優點是計算復雜度較低，缺點是只考慮了MIMO信道矩陣自身的正交性，沒有考慮配對用戶各自的SNR也就沒有考慮到由于干擾、網絡規劃不當、或者某些地區深度衰落等問題。配對時如果只考慮正交因子最大，被選擇的配對用戶可能因為其中一方信道衰落較差，既招致嚴重的遠近效應干擾，又會降低系統信道容量。

3.3 行列式配對方法

首先通過Round Robin調度算法，選擇任意用戶，然后計算所有其他用戶與該用戶配對后的行列式因子，選擇行列式因子最大的，與該用戶完成配對。此算法的優點是考慮了信道容量，計算復雜度較低，缺點是對低SNR適應性不強，對信道容量表達式也沒有完全到位。

3.4 其它相關研究

文獻[13]提出了一種基于路徑損耗和慢衰落排序的配對方法，但由于配對用戶信道相關性可能較大，配對用戶之間的干擾也比較大。文獻[14]提出了一種假設用戶接收功率相等，尋找最佳用戶的調度策略；文獻[15]則將發射功率控制與用戶調度配對結合。但考慮到LTE實際系統中用戶接收功率難以保證相等，以及每個子載波上做獨立功控復雜度較高等前提，這些研究結果并不適合TD-LTE采用。

4 TD-LTE系統中基于虛擬MIMO的省電機制構想

目前關于蜂窩網絡中虛擬MIMO的研究已經獲得了豐富的成果，但主要是針對如何實現協同以提高傳輸速率，虛擬MIMO的能量效率研究主要是針對無線傳感器網絡。因此，如何提高TD-LTE系統中MIMO的能量效率還有待進一步研究。

（1）缺乏針對TD-LTE系統的虛擬MIMO省電機制。無線傳感器網絡和TD-LTE系統具有很大的差異。無線傳感器網絡主要是承載低速率的業務，而TD-LTE系統可以承載高速率數據業務。低速率業務對QoS的要求比較低，相關約束比較簡單，而高速率的混合業務對QoS的要求更高，分析模型中約束條件更復雜。為此，必須根據TD-LTE業務的特點，來制定適用于TDLTE的虛擬MIMO省電機制；

（2）缺乏系統級的虛擬MIMO省電機制。虛擬MIMO省電機制真正應用到蜂窩無線通信網絡還面臨一些問題。首先，目前大多數虛擬MIMO省電機制是針對參與協同終端的總體能耗，缺乏針對個體能耗的平衡性研究。其次，虛擬MIMO技術會增加終端算開銷，使得信息處理的復雜度增加，帶來了額外的能量消耗。為此，必須從系統的角度來研究如何平衡這些矛盾問題，獲得希望得到的省電性能。

綜合以上可以看出，雖然目前業界有關終端省電機制的研究成果非常豐富，但大多是以2G系統、3G系統早期版本或者其它類型移動通信系統為研究對象，針對TD-LTE終端省電機制的研究較少，還存在需要解決和完善的問題。尤其是針對TD-LTE新業務、新省電協議、新技術的研究需要繼續深入和挖掘，以從根本上進一步提高終端的電源使用效率。

TD-LTE系統在給定功率的前提下，虛擬MIMO具有比SIMO更好的上行系統容量；反之，如果給定傳輸速率，虛擬MIMO消耗的功率比SIMO更低。因此虛擬MIMO有更好的能量效率。然而在虛擬MIMO的實現過程中，有一些因素會影響其性能發揮，導致實際的省電性不能被充分體現。

（1）虛擬MIMO技術實現過程中，成對的移動終端會使用相同的時-頻資源，不同的配對方式會給配對終端之間帶來大小不一的配對干擾，從而造成不同程度的誤包率。如果干擾較大，會降低虛擬MIMO技術的上行系統吞吐量增益，降低虛擬MIMO技術的能量效率。因此有必要設計出一種能夠降低干擾的配對算法；

（2）由于虛擬MIMO中配對的兩個終端必須使用相同的時-頻資源，配對終端申請資源大小的差異以及功率控制后功率譜密度的限制，有些配對終端不能合理地利用資源，所以對單個終端來說，資源的分配并不是最合理的。因此可將兩個配對終端作為一個整體來分配資源，從跨層調度和協調傳輸的角度，保證資源分配的靈活性以及能量消耗的公平性；

（3）基于終端配對的協同上行傳輸調度機制會導致額外的計算開銷，如果計算開銷過大，將抵消虛擬MIMO帶來的能耗性能增益。另一方面，終端的配對算法性能與復雜度之間存在平衡的問題。一般而言，如果配對算法比較簡單則性能較差，導致的干擾較大，也會抵消能耗性能增益。復雜的算法雖然性能好，但算法復雜度開銷會帶來處理時延，也會降低能耗性能。因此，可以將提升能耗性能增益作為目的，實現機制、算法性能與復雜度的平衡。

因此，本文針對省電機制的構想，首先要提出以降低配對干擾為目的、且復雜度合理的配對算法；在此基礎上提出一種能夠保證各終端業務QoS要求的公平能效傳輸調度機制，同時考慮該機制的實現復雜度，降低其計算開銷。基于以上的技術路線，本部分的研究內容可以分為兩個主要部分，每個部分的具體研究方法如下所述。

4.1 以降低配對干擾為目的的配對算法

因為上行傳輸的能量效率和容量效率是可以置換的，因此可以借助上行傳輸容量最大化問題的分析方法，研究如何提高系統的能量效率。為了提高系統的能量效率，基站需要選擇恰當的終端，配對成虛擬MIMO，以便利用配對而成的虛擬MIMO信道矩陣特性。最基本的思想是讓兩個配對終端的信道彼此正交。實際網絡中，如果配對終端信道正交性不好，給定傳輸功率，將導致嚴重的吞吐量衰減，能量效率隨之降低。例如采用隨機配對方法，不考慮終端信道匹配性，虛擬MIMO相對SIMO的能量效率提升非常有限。另一方面，由于存在多小區干擾，以及網絡規劃的不完美，在部分覆蓋不好的深度衰落區內，即便可以由功率控制補償不同終端路徑損耗和陰影衰落，不同終端到達基站的信號SINR仍然不同，有部分終端可能SINR遠低于其它終端。所以，不能單純考慮如何保證信道的正交性以提高能量效率，而是以配對后的總信道容量作為配對準則，提出一個簡單的配對算法，從而提高虛擬MIMO系統的能量效率。

由以上可知，新的虛擬MIMO終端配對算法應該能夠體現兩個終端配對后的信道容量，同時在數學表達式上盡可能簡單。因而，每個配對終端自身的SINR必須在準則中加以體現。目前有一些文獻研究了單個終端的天線選擇問題，其中對于高、低SINR兩種情況，分別存在對應的選擇算法。基于這些算法，可以選擇出能提供最大MIMO信道容量的天線組合。虛擬MIMO終端配對選擇與天線選擇非常類似，其區別在于虛擬MIMO終端彼此SINR不同，而單終端的各發射天線SINR相同。因此可借助天線選擇的一些研究方法，并加以具體分析，得出以最大化能量效率為目標的低復雜度虛擬MIMO終端配對算法。

4.2 保證業務QoS的公平能效傳輸調度機制

結合功率控制，從跨層優化的角度，提出兼顧物理層信道容量和MAC層業務時延的傳輸和調度機制。對虛擬MIMO而言，其跨層傳輸調度與傳統MIMO的跨層傳輸調度有較大差異。后者的物理層信道性能一般只考慮同一時-頻資源上僅有一個終端傳輸數據，或者雖有多個終端采用SDMA方式傳輸，但采用增強型技術，以保證終端間沒有干擾，每個終端的傳輸速率與配對終端無關，調度機制只要考慮每個終端獨立的信道性能和QoS需求。而前者的兩個終端在同一時-頻資源上進行傳輸，終端的傳輸速率將受到配對終端影響，而且配對終端的QoS需求并不相同。因此，可以以一組配對終端作為一個調度對象來統一考慮，分析如何實現配對終端信道性能和QoS需求的協調，通過定義恰當的效用函數或懲罰函數，保障資源分配的靈活性和能量效率的公平性。

基于虛擬MIMO的傳輸調度機制在提高系統性能的同時也帶了新的能耗問題：由于任意終端傳輸速率受與其配對傳輸的終端影響，在采用各種考慮到物理層傳輸效率的調度機制時，必須將所有終端配對組合后的傳輸速率遍歷計算，并加以比較。這在客觀上構成了一個難于求解的組合最優化問題。此外，計算虛擬MIMO傳輸速率時，需要根據SINR判斷使用何種調制編碼方案，而且與SC-FDMA技術結合時，需要利用參考信號估計信道質量進行調度，即對參考信號覆蓋子載波進行有效SINR合并，從而導致該機制的計算復雜度進一步提高。由此可見，最優解的求解代價過高，因此可以采用啟發式算法，在分析和比較現有啟發式算法基本原理的基礎上，根據虛擬MIMO的特性，以較小的計算代價，獲取逼近最優的次優解或可行解，最終實現高效率的傳輸調度機制。

5 結束語

理論上，虛擬MIMO技術可以很大地提高系統吞吐量，降低終端能耗，但是實際配對策略以及如何有效地為配對用戶分配資源的問題，都會對系統能耗產生很大的影響，而且只有在性能和復雜度兩者之間取得一個良好折中，虛擬MIMO省電機制的優勢才能充分發揮出來。在接下來的研究和開發工作中，我們將進一步優化并改進虛擬MIMO的配對策略，并進行相關測試，應用于下一代移動通信系統中。

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