基于虚拟MIMO的TD-LTE终端省电机制*

李方伟 彭喻玮

（重庆邮电大学移动通信重点实验室 重庆 400065）

1 引言

移动通信终端是移动通信系统的重要组成部分，是移动通信系统与用户间的“接口”，在综合评价终端的整体性能时，不仅要考虑对业务功能的支持能力，更要重点关注终端的总体性能。其中，终端的耗电性能是评价其总体性能的一项重要指标，一直是业界非常关注的问题。然而，对于TD终端而言，随着系统演进到LTE，将支持更高速数据传输和视频电话等丰富多媒体应用，为此增添了复杂的物理层数字信号处理和高层协议栈软件处理，大大增加了终端省电处理难度，也对终端的省电机制的性能提出了更高要求。

TD-LTE系统的速率跃升为100Mbit/s级别以上，除了支持普通速率的数据业务以外，还支持高速率的下载和视频电话等丰富的多媒体应用。为此，终端必须支持更高的运算速度和传输速率，大大增加了基带部分和射频部分的能耗。TD-LTE系统采用了与早期系统不同的物理层关键技术[1]，例如MIMO、OFDMA等，这些技术也必然增加系统的能耗。以MIMO为例，由于采用了更为复杂的数据处理技术，基带芯片需要完成更多的运算任务，芯片消耗的电能比SISO更多。因此，终端的能耗问题已经成为决定TD-LTE终端能否被用户广泛认可的主要因素之一。

对于终端的上行传输而言，如果综合考虑传输能耗和电路能耗，MIMO的能量效率比较差。同时基于硬件复杂度考虑，TD-LTE标准中上下行传输采用虚拟MIMO(Virtual MIMO)技术来替代MIMO技术，以降低终端的能耗与硬件复杂度[1,10]。虚拟MIMO的基本思想是终端上行传输仍然使用单天线，但多个终端的天线可以构成虚拟的多天线阵列，通过协同实现传输。目前关于蜂窝网络中虚拟MIMO的研究已经获得了丰富的成果。在文献[2、3]中，最早提出虚拟MIMO的方案；文献[2]在发射端利用空时分组码对发射数据进行编码，并分析了MQAM对能耗和发射速率的影响，得出了不同距离的最佳调制选择，在相同条件下，相比SISO能耗大大减少；文献[3]利用V-BLAST结构，将簇内的单个节点看作一层，此方案比起文献[2]中的方案，能实现更大的能耗节约，但接收机实现较复杂；文献[4]针对3G LTE中的SC-FDMA和虚拟MIMO技术，展开了深入的无线资源管理技术研究，包括小区间干扰抑制、虚拟MIMO用户配对，跨层调度算法等；文献[5]研究了基于几何统计信道模型虚拟MIMO系统的合作通信分集协议，通过高质量用户间信道的合作提高了虚拟MIMO系统的总吞吐量；文献[6]研究了基于虚拟MIMO合作通信无线传感器网络的节能问题；文献[7]为了解决无线传感器网络的节能问题提出了一种基于V-BLAST技术的虚拟MIMO传输方案，该方案比基于Alamouti的虚拟MIMO传输方案更适合用于能量高效的无线传感器网络。

通过对上面的文献研究发现，现有虚拟MIMO的技术主要是针对如何实现协同以提高传输速率，虚拟MIMO的能量效率研究主要是针对无线传感器网络。因此，如何提高TD-LTE系统中MIMO的能量效率还有待进一步研究。本文中，第二部分介绍了虚拟MIMO系统原理，第三部分对虚拟MIMO现有配对准则进行了分析，第四部分，分析了虚拟MIMO技术在TD-LTE系统中用来提高能量有效性的可能，并提出了基于虚拟MIMO的TD-LTE终端省电机制的方案构想。

2 虚拟MIMO系统原理

TD-LTE上行系统中，采用上行的虚拟MIMO技术[1]，来实现数据协同传输。该技术也可以看作是一种空分复用技术。此项技术可以动态的将多个基于单天线发送的终端配成一对，形成虚拟MIMO发送。这样，多个信道具有较好正交性的终端可以共享相同的时-频资源，从而提高上行系统的容量。在实际应用中，一般将2个终端配成一对，形成2×2的虚拟MIMO，如图1所示。

虚拟MIMO相对传统的MIMO来说，除了每个用户只需要一根天线的设备复杂度的显著优势，主要还有以下的好处。

（1）提高了多用户分集，对于传统的MIMO系统来说，所有的MIMO信号来自同个用户的所有天线，因此即使发送天线是不相关的，信道矩阵也不是很好；而对于虚拟MIMO而言，信号来自不同的用户，如果这些用户的信道衰落是不相关的，调度器便可根据各用户的瞬时信道质量来分配资源，获得多用户分集增益和更高的系统吞吐量；

图1 虚拟MIMO示意图

（2）可以通过基站调度器选择近似正交的信道来选择用户组成虚拟MIMO传输，这样在维持无线链路的鲁棒性的同时提高了系统吞吐量；

（3）虚拟MIMO合作模式中，由于基站可以方便的知道所有用户的信道信息，用户决策反馈干扰消除的空间复用可以通过基站完成，用户终端除了导频需要正交外，和一般的终端没有区别，从而用户终端的复杂度可以大大减少；

（4）虚拟MIMO合作模式中，由于是不同的用户组成的多天线发射，因此每个用户的发射功率还是一个单位，而不像传统的MIMO的多天线发射，是同个用户的不同天线，因此每根天线的发射功率只有1/M个单位（假设每个用户有M根天线）。因此，从基站的角度而言，接收到的上行传输功率得到提高。

3 虚拟MIMO现有配对准则的分析

在TD-LTE虚拟MIMO系统中，为了最大化系统信道容量，在基站需要选择恰当的用户，配对成虚拟MIMO，以便利用配对而成的虚拟MIMO信道矩阵特性，最大化系统吞吐量。最基本的思想是让两个配对用户的信道彼此正交[8]，因为实际网络中，用户信道往往并不正交，如果配对用户信道正交性不好，将导致严重的吞吐量衰减，所以需要通过调度来使得信道尽量正交化[9]。文献[10]中显示，如果采用随机配对方法，不考虑用户信道匹配性，虚拟MIMO相对SIMO的频谱效率提高非常有限。

由于存在多小区干扰，以及网络规划的不完美，和部分覆盖不好的深度衰落区，即便在有功率控制补偿不同用户路径损耗和阴影衰落前提下，不同用户到达基站的信号SINR仍然不同，有部分用户可能SINR远低于其他用户。所以单纯正交不能保证系统总信道容量最大，需要以配对后的总信道容量作为配对准则。此外，使得虚拟MIMO配对矩阵最小奇异值最大化[11]等配对方案，其调度精度相对较低。如何寻找一个简单的配对准则，成为提高虚拟MIMO系统效率的关键。文献[12]中给出了若干种虚拟MIMO的用户配对准则，现介绍如下。

3.1 随机配对方法

所谓随机配对，就是随机挑选出2个用户搭配成一对，其优点是配对方式简单，配对用户的选择随机生成，计算复杂度低，缺点是无法合理利用信道矩阵特性，无法得到最大化的信道容量。

3.2 正交配对方法

因为当MIMO矩阵列向量正交性越好时，就越容易将两发射信号分开，所以此调度算法选择正交因子最大的用户进行配对。此算法的优点是计算复杂度较低，缺点是只考虑了MIMO信道矩阵自身的正交性，没有考虑配对用户各自的SNR也就没有考虑到由于干扰、网络规划不当、或者某些地区深度衰落等问题。配对时如果只考虑正交因子最大，被选择的配对用户可能因为其中一方信道衰落较差，既招致严重的远近效应干扰，又会降低系统信道容量。

3.3 行列式配对方法

首先通过Round Robin调度算法，选择任意用户，然后计算所有其他用户与该用户配对后的行列式因子，选择行列式因子最大的，与该用户完成配对。此算法的优点是考虑了信道容量，计算复杂度较低，缺点是对低SNR适应性不强，对信道容量表达式也没有完全到位。

3.4 其它相关研究

文献[13]提出了一种基于路径损耗和慢衰落排序的配对方法，但由于配对用户信道相关性可能较大，配对用户之间的干扰也比较大。文献[14]提出了一种假设用户接收功率相等，寻找最佳用户的调度策略；文献[15]则将发射功率控制与用户调度配对结合。但考虑到LTE实际系统中用户接收功率难以保证相等，以及每个子载波上做独立功控复杂度较高等前提，这些研究结果并不适合TD-LTE采用。

4 TD-LTE系统中基于虚拟MIMO的省电机制构想

目前关于蜂窝网络中虚拟MIMO的研究已经获得了丰富的成果，但主要是针对如何实现协同以提高传输速率，虚拟MIMO的能量效率研究主要是针对无线传感器网络。因此，如何提高TD-LTE系统中MIMO的能量效率还有待进一步研究。

（1）缺乏针对TD-LTE系统的虚拟MIMO省电机制。无线传感器网络和TD-LTE系统具有很大的差异。无线传感器网络主要是承载低速率的业务，而TD-LTE系统可以承载高速率数据业务。低速率业务对QoS的要求比较低，相关约束比较简单，而高速率的混合业务对QoS的要求更高，分析模型中约束条件更复杂。为此，必须根据TD-LTE业务的特点，来制定适用于TDLTE的虚拟MIMO省电机制；

（2）缺乏系统级的虚拟MIMO省电机制。虚拟MIMO省电机制真正应用到蜂窝无线通信网络还面临一些问题。首先，目前大多数虚拟MIMO省电机制是针对参与协同终端的总体能耗，缺乏针对个体能耗的平衡性研究。其次，虚拟MIMO技术会增加终端算开销，使得信息处理的复杂度增加，带来了额外的能量消耗。为此，必须从系统的角度来研究如何平衡这些矛盾问题，获得希望得到的省电性能。

综合以上可以看出，虽然目前业界有关终端省电机制的研究成果非常丰富，但大多是以2G系统、3G系统早期版本或者其它类型移动通信系统为研究对象，针对TD-LTE终端省电机制的研究较少，还存在需要解决和完善的问题。尤其是针对TD-LTE新业务、新省电协议、新技术的研究需要继续深入和挖掘，以从根本上进一步提高终端的电源使用效率。

TD-LTE系统在给定功率的前提下，虚拟MIMO具有比SIMO更好的上行系统容量；反之，如果给定传输速率，虚拟MIMO消耗的功率比SIMO更低。因此虚拟MIMO有更好的能量效率。然而在虚拟MIMO的实现过程中，有一些因素会影响其性能发挥，导致实际的省电性不能被充分体现。

（1）虚拟MIMO技术实现过程中，成对的移动终端会使用相同的时-频资源，不同的配对方式会给配对终端之间带来大小不一的配对干扰，从而造成不同程度的误包率。如果干扰较大，会降低虚拟MIMO技术的上行系统吞吐量增益，降低虚拟MIMO技术的能量效率。因此有必要设计出一种能够降低干扰的配对算法；

（2）由于虚拟MIMO中配对的两个终端必须使用相同的时-频资源，配对终端申请资源大小的差异以及功率控制后功率谱密度的限制，有些配对终端不能合理地利用资源，所以对单个终端来说，资源的分配并不是最合理的。因此可将两个配对终端作为一个整体来分配资源，从跨层调度和协调传输的角度，保证资源分配的灵活性以及能量消耗的公平性；

（3）基于终端配对的协同上行传输调度机制会导致额外的计算开销，如果计算开销过大，将抵消虚拟MIMO带来的能耗性能增益。另一方面，终端的配对算法性能与复杂度之间存在平衡的问题。一般而言，如果配对算法比较简单则性能较差，导致的干扰较大，也会抵消能耗性能增益。复杂的算法虽然性能好，但算法复杂度开销会带来处理时延，也会降低能耗性能。因此，可以将提升能耗性能增益作为目的，实现机制、算法性能与复杂度的平衡。

因此，本文针对省电机制的构想，首先要提出以降低配对干扰为目的、且复杂度合理的配对算法；在此基础上提出一种能够保证各终端业务QoS要求的公平能效传输调度机制，同时考虑该机制的实现复杂度，降低其计算开销。基于以上的技术路线，本部分的研究内容可以分为两个主要部分，每个部分的具体研究方法如下所述。

4.1 以降低配对干扰为目的的配对算法

因为上行传输的能量效率和容量效率是可以置换的，因此可以借助上行传输容量最大化问题的分析方法，研究如何提高系统的能量效率。为了提高系统的能量效率，基站需要选择恰当的终端，配对成虚拟MIMO，以便利用配对而成的虚拟MIMO信道矩阵特性。最基本的思想是让两个配对终端的信道彼此正交。实际网络中，如果配对终端信道正交性不好，给定传输功率，将导致严重的吞吐量衰减，能量效率随之降低。例如采用随机配对方法，不考虑终端信道匹配性，虚拟MIMO相对SIMO的能量效率提升非常有限。另一方面，由于存在多小区干扰，以及网络规划的不完美，在部分覆盖不好的深度衰落区内，即便可以由功率控制补偿不同终端路径损耗和阴影衰落，不同终端到达基站的信号SINR仍然不同，有部分终端可能SINR远低于其它终端。所以，不能单纯考虑如何保证信道的正交性以提高能量效率，而是以配对后的总信道容量作为配对准则，提出一个简单的配对算法，从而提高虚拟MIMO系统的能量效率。

由以上可知，新的虚拟MIMO终端配对算法应该能够体现两个终端配对后的信道容量，同时在数学表达式上尽可能简单。因而，每个配对终端自身的SINR必须在准则中加以体现。目前有一些文献研究了单个终端的天线选择问题，其中对于高、低SINR两种情况，分别存在对应的选择算法。基于这些算法，可以选择出能提供最大MIMO信道容量的天线组合。虚拟MIMO终端配对选择与天线选择非常类似，其区别在于虚拟MIMO终端彼此SINR不同，而单终端的各发射天线SINR相同。因此可借助天线选择的一些研究方法，并加以具体分析，得出以最大化能量效率为目标的低复杂度虚拟MIMO终端配对算法。

4.2 保证业务QoS的公平能效传输调度机制

结合功率控制，从跨层优化的角度，提出兼顾物理层信道容量和MAC层业务时延的传输和调度机制。对虚拟MIMO而言，其跨层传输调度与传统MIMO的跨层传输调度有较大差异。后者的物理层信道性能一般只考虑同一时-频资源上仅有一个终端传输数据，或者虽有多个终端采用SDMA方式传输，但采用增强型技术，以保证终端间没有干扰，每个终端的传输速率与配对终端无关，调度机制只要考虑每个终端独立的信道性能和QoS需求。而前者的两个终端在同一时-频资源上进行传输，终端的传输速率将受到配对终端影响，而且配对终端的QoS需求并不相同。因此，可以以一组配对终端作为一个调度对象来统一考虑，分析如何实现配对终端信道性能和QoS需求的协调，通过定义恰当的效用函数或惩罚函数，保障资源分配的灵活性和能量效率的公平性。

基于虚拟MIMO的传输调度机制在提高系统性能的同时也带了新的能耗问题：由于任意终端传输速率受与其配对传输的终端影响，在采用各种考虑到物理层传输效率的调度机制时，必须将所有终端配对组合后的传输速率遍历计算，并加以比较。这在客观上构成了一个难于求解的组合最优化问题。此外，计算虚拟MIMO传输速率时，需要根据SINR判断使用何种调制编码方案，而且与SC-FDMA技术结合时，需要利用参考信号估计信道质量进行调度，即对参考信号覆盖子载波进行有效SINR合并，从而导致该机制的计算复杂度进一步提高。由此可见，最优解的求解代价过高，因此可以采用启发式算法，在分析和比较现有启发式算法基本原理的基础上，根据虚拟MIMO的特性，以较小的计算代价，获取逼近最优的次优解或可行解，最终实现高效率的传输调度机制。

5 结束语

理论上，虚拟MIMO技术可以很大地提高系统吞吐量，降低终端能耗，但是实际配对策略以及如何有效地为配对用户分配资源的问题，都会对系统能耗产生很大的影响，而且只有在性能和复杂度两者之间取得一个良好折中，虚拟MIMO省电机制的优势才能充分发挥出来。在接下来的研究和开发工作中，我们将进一步优化并改进虚拟MIMO的配对策略，并进行相关测试，应用于下一代移动通信系统中。

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