下一代移动通信系统中的 MIMO开环和闭环发射技术
河
摘要：介绍在下一代移动通信系统中广泛采用的 MIMO系统中的开闭和闭环发射技术，对于
开环发射分集、开环空间复用、闭环发射分集、闭环空间复用等不同发射方案进行了详细描
述;介绍了包括空时分组编码（STBC）、预编码技术（Precoding）、波束成形技术（Beamforming）
等相关技术；并通过仿真结果表明需要根据不同传输条件合理选择开闭环发射方案。
关键词: 开环； 闭环； 发射分集； 空间复用
中图分类号：TN919
MIMO Open-loop/Closed-loop transmission
techniques in next generation mobile systems
Yongkan MA
College of Computer and Information Engineering ,Hohai University, Nanjing (210098)
E-mail：mayongkan@
Abstract： Through presenting the open-loop and closed-loop MIMO transmission
techniques which are widely used in next generation mobile communication systems,
this paper describes in detail the different schemes including open-loop transmit
diversity, open-loop spatial multiplexing, closed-loop transmit diversity and
closed-loop spatial multiplexing and also different techniques such as STBC,
Precoding and Beamforming. The simulation resultats show that we should choice
appropriate transmission scheme according to different channel conditions.
Key words: Open-loop;Closed-loop;Transmit Diversity;Spatial Multiplexing
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YOUDAN
文本框
南京（210098）
引言
包含视频在线观看，高速下载，视频电话，在线游戏等在内的数据业务已经
逐渐取代传统话音业务，成为 3G以及下一代移动通信主要传输业务形式。MIMO
技术（多输入多输出）具有在不增加占用带宽的情况下，利用多径衰弱显著地提
高系统容量，调高信息传输质量和传输速度的主要特点。目前，包括 HSPA+,
WiMax，以及广泛被接受为下一代移动通信系统演进方向的 LTE (FDD/TDD)都
使用MIMO技术作为其核心技术之一。
MIMO技术主要能够实现以下两方面的增益：提供最大数据传输速率的空间
复用增益（Spatial Multiplexing）和显著提高链路传输质量的空间分集增益（Spatial
Diversity）[1，2]。前者主要是利用在各收发天线间的并行子信道上发送不同的信
息流，从而实现传输速率的提高。而后者则主要是指在多个天线上发送相同信息
流，使得接收天线能够得到多个相同的信号副本，从而实现传输质量的提升,也
即减小了系统错误概率。然而，在自由度有限的MIMO系统中，在某种程度上，
我们需要根据不同的传输环境，不同的信道质量对于所使用的 MIMO 收发方案
进行合理选择，以达到以上两种增益的最优利用，也即是本文将主要描述的下行
链路开环和闭环发射技术方案。
系统基本模型
如图 1 所示，一个包含有 Nt 根发射天线和 Nr 根接收天线的 MIMO 基本系
统模型[3]为：
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图 1 MIMO基本系统模型
其中， 为接收符号序列， 为发射符号序列，
为 AWGN序列，而 为信道矩阵。
开环和闭环传输概念
如果在发射端完全未知信道状态信息 CSI(Channel State Information )的信息
传输方式称为开环（Open-Loop）传输[4]，从接收端没有任何信息反馈给发射端，
功率在发射端各天线平均分配。（如，开环空间复用和 Alamouati空时编码）
然而，如果在发射端完全或者部分已知 CSI 的信息传输方式称为闭环
（closed-loop）传输，发射端需要从接受端得到下行信道状态的反馈，构成反馈
信道，也将依此在各数据流间调整发射功率。（如，波束成形技术和基于码书的
预编码技术）。
nHxy +=
1´Î rNCy 1´Î rNCx 1´Î rNCn
1´Î rNCH
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图 2 开环和闭环传输示意图
图 3 给出了 MIMO 开/闭环发射方案的总体示意图，在下面章节中将分别
具体描述。
图 3 MIMO开/闭环发射方案
开环发射方案
开环空间复用：相对简单，在信道矩阵的秩（Rank）大于 1的情况下，即存
在多于 1条的并行不相关的子信道，我们可以通过开环空间复用，在发射端不同
天线发送不同的信息流，来达到传输速率的提高。由于未知信道 CSI，无法根据
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实际信道信息对于发射端进行调整，只是在以等发射功率在各天线发射，所以其
空间复用增益相对于使用预编码技术的闭环空间复用偏小。
开环发射分集：信道矩阵的秩为 1情况下，发射分集将主要用来提高链路的
信号传输质量。在众多的开环发射分集方案中，以 Alamouti 方案为代表的一种
正交空时分组编码(Space Time Block Code, STBC)以其译码简单性最为广泛使
用。
图 4展示了典型的 2x1的 Alamouti方案发射分集过程：
图 4 Alamouti发射方案示意图
在一个给定的符号时间内（Ts），两个信号同时从两个天线发射，信号 x1 从
天线 1 发出，信号 x2从天线 2 发出；在下一个符号时间，信号-x2
* 从天线 1 发
出，信号 x1
*从天线 2发出。
可以表示为以下矩阵形式：
由于两个发射天线的发射序列是正交的，从而使接受端可以使用最大似然检
测译码(ML)，译码复杂度得以显著降低，同时可以获得最大的分集增益。同时，
它可以推广到两发射天线发送至 Nr根接收天线的情况，其理想分集增益可达到
2*Nr。
÷
ø
ö
ç
è
æ -
*
*
12
21
xx
xx
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在WiMax和 HSPA中都使用了 STBC方案，其中在 HSPA中称为空时发射
分集(Space Time Transmit Diversity, STTD)。而在 LTE系统中，使用的是原理相
似的空频分组编码（Space Frequency Block Code，SFBC），其于 STBC的区别在
于将信号的副本同时通过不同频率发出，但保持其正交性，简化译码复杂度。如
图 5所示：
图 5 SFBC方案示意图
图 6显示通过仿真比较基于不同调制方式情况下 STBC和 SFBC对于信道可
靠性提高表现：
-16QAM情况下，SFBC具有 1dB增益
-64QAM情况下，SFBC优势更加显著
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2010
-3
10-2
10-1
100
SNR in dB
B
LE
R
Modified Vehicular-A, 350kmph
STBC, 16QAM, 1/2CTC
SFBC, 16QAM, 1/2CTC
STBC, 64QAM, 2/3CTC
SFBC, 64QAM, 2/3CTC
图 6 STBC和 SFBC不同调制方式下性能表现
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当然，开环 STBC/SFBC 发射分集方案有其局限性，其只能在双发射天线
情况下实现全速率传输，且分集性易受空间相关及干扰影响。
闭环发射方案
闭环空间复用：如上文所述，闭环发射技术主要是通过增加一条反馈信道
（Feedback Channel），在接收端向发射端反馈全部或者部分信道状态信息，从而
使得发射端能够根据信道实际情况，灵活的进行发射功率、发射方向角度等的调
整，向指定用户进行重点传输，提高传输速率和频段利用率。
闭环空间复用主要使用预编码（Precoding）[5]技术来实现以上目的。
预编码技术的主要思路为图 7所示：通过接收端信道状态信息的反馈，将发
射信息与一个由信道状态所决定的预编码矩阵W 相乘，实现对于每个数据流的
相位调整，再传送到各个发射天线进行发射，使得能量可以向“重点”用户集中，
并减少数据流间干扰。
图 7 闭环空间复用预编码发射方案
其中，由反馈信道传输的信道状态信息所决定的预编码矩阵包含了在发射端
对各数据流加权的赋重。由于信道资源有限，在快衰弱信道中，无法实行全反馈。
这时我们通常使用基于码本的预编码方案（Codebook-based Precoding）来实现低
速率的部分信道信息反馈信道，减少信令开销。接收端在收到发射端发出的训练
序列之后，从码字集中选取最适合的预编码矩阵，将其预编码矩阵编号（Precoding
Matrix Index, PMI），也称为码书指数（Codebook Index，CI），信道质量指数
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（Channel Quality Index）和信噪比等信息反馈给发射端。
以图 8 3GPP TS [6，7]中表格 Table -1对于闭环空间复用方
案中定义的双天线闭环空间复用传输码本为例，
信道矩阵的秩为 2（表格中映射层数u为 2），单用户(SU-MIMO) 2x2情况下，预
编码矩阵W应该在浅蓝色框中的三个码本中选择。
闭环发射分集：在信道矩阵的秩为 1 的情况下，我们通过使用波束成形技术
（Beamforming），与预编码空间复用相似，通过反馈链路，接收端向发射端提供
信道状态信息，在发射端进行预编码，调整相位，实现一个相对较窄的定向波束
指向用户，提高其覆盖范围以内的信道传输质量，提高信干噪比和覆盖范围。因
此，我们我们也称其为单秩预编码（Rank-1 Precoding），图 9。
图 9 闭环MIMO波束成形方案
图 8 3GPP TS 闭环空间复用方案码本
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图 8深蓝色框图中显示了信道矩阵的秩为 1时，可以使用的 4个波束成形预编码
矩阵码本。
然而，与传统意义上智能天线技术中的波束成形相比，MIMO闭环波束成形
方案主要表现为以下几个方面的不同：
--其天线配置可以为去相关配置（1/2 波长），而传统智能天线技术中的波束成形
中需要各天线间很强的相关性；
--其预编码矩阵权值依赖于由信道短期变化，增加了反馈开销；
--以图10中显示的对应于图8 3GPP TS [6，7]闭环空间复用方案方向图为例，
其实际波束方向（紫色箭头）与预编码方向（深蓝色箭头）有一定偏角。
图 10 3GPP TS 闭环空间复用方案方向图
小结
本文分别描述了MIMO系统中下行链路开环发射方案和闭环发射技术，并详
细介绍了其中所使用到得包括开环空间复用、开环发射分集、闭环空间复用、闭
环发射分集等在内多种发射方案。通过仿真比较，表明我们需要根据不同的传输
环境，不同的信道质量对于所使用的 MIMO 收发方案进行合理选择，以达到以
上空间复用增益和空间分集增益的最优利用。
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参考文献
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