MIMO系统中多用户分集技术

栾泰珍 王亚芳 朱丽华 张志彬

摘 要：MIMO技术可以在不增加系统带宽和发射功率的前提下大大增加系统容量，提高系统频谱利用率，改善系统性能。多用户分集是多用户无线通信中固有的分集，合理的利用多用户分集增益可以有效的提高系统性能。

关键词：MIMO下行链路；多用户分集；MU-MIMO

1 引言

多用户MIMO系统与单用户MIMO系统相比，充分利用空间资源，系统和容量得到很大提升。多用户分集增益的大小是信道增益波动分布决定的，信道增益波动的幅度越大、速度越快，多用户分集增益也就越大。

2 多用户下行MIMO系统模型

单用户MIMO系统中，有多天线带来的额外空间自由度只是被用来扩展用于信号处理和检测的维度，因此MIMO主要用于提高物理层的性能，被认为是一种物理层技术，而链路层多址接入协议（上行和下行）只是间接地获得MIMO多天线带来的好处。我们考虑的是一个具有N个发送天线M个接收用户的系统模型，且第m个接收用户有Km个天线的多用户MIMO系统。

3 多用户分集

多用户分集的基本原理是利用无线信道的随机性，当存在大量信道衰落相互独立的用户时，在任意时刻存在某个用户拥有较强信道增益的概率将大大提高。因此，如果基站总是选择信道质量最好的用户发射信号，那么系统将会以最高效的方式利用共享信道资源，从而使总的系统容量最大化，用户数越多，拥有最强信号信道的机率也就越大，是多用户分集增益就越大。从多用户分集的角度来看，衰落却被视为一种有利的随机化因素，是可以被利用的，并通过调度信道质量最好的用户来实现。信道波动的动态范围越大，峰值越高，多用户分集增益也就越大。

4 获取多用户分集增益

为了获取多用户分集增益，系统需要满足如下两个要求：

（1）基站能够进行信道质量的测量：在下行链路中，要求接收机利用下行链路公共导频信号跟踪其各自信道的信噪比，并将瞬时信道质量反馈给基站；在上行链路中，需要来自用户的发射信号，从而能够对他们的信道质量进行跟踪。

（2）基站不仅能够根据瞬时信道质量调整数据速率，而且能够安排不同用户的发射顺序。另外环境移动情况下信道波动的峰值可能更高，而峰值决定了调度算法的性能。在环境固定情况下，多用户分集增益会受到更大地限制。

5 结束语

当系统中存在一定数量的用户时，衰落信道的容量要比非衰落信道容量大。这就是多用户分集效应：在一个多用户系统中，各用户之间的信道是独立变化的，在任何时刻总有一个用户，它的信道质量大于系统的平均SNR，在所有时刻都让拥有最强信道的用户发送信息，从而提高频谱利用率。

[参考文献]

[1]邱玲，许杰，刘蓓.《多用户、多小区MIMO通信技术》[M].人民邮电出版社，2011.

[2]黄韬，袁超伟，杨睿哲.《MIMO相关技术与应用》[M].机械工业出版社，2007.

[3]I.E.Telatar.Capacity multi-antenna Gaussian channels.Tech.Rep.，AT&T Bell Labs，1995.

[4]黃韬，袁超伟，杨睿哲，等.MIMO相关技术与应用.北京：机械工业出版社，2007.

[5]张平.Beyond 3G移动通信系统关键技术.北京邮电大学学报，2002，25：1-6.