MU-MIMO

多輸入多輸出（MIMO）技術已經成為下一代無線通信系統的關鍵技術之一。已經有不少關於點對點的單用户MIMO系統的研究。長期以來，這一領域的研究還主要着眼於單用户點對點多天線通信系統，而不考慮多用户之間的共信道干擾。在實際應用中，系統往往需要一個基站（BS）同時和多個移動台（MS）進行通信，比如最常見的蜂窩系統和無線局域網（WLAN）等。因此，有關點對多點的多用户MIMO（Multi-user MIMO）系統的研究也就應運而生，它比單用户MIMO更加複雜。

多用户MIMO與單用户MIMO的區別主要在於：在多用户MIMO系統中，用户組的數據佔用相同的時頻資源，即用户組的數據在相同的子載波上傳輸。因此，多用户MIMO能有效提高系統吞吐量。但隨之而來的問題是多用户MIMO系統中如何消除用户之間的共信道干擾。 ^[2] 

多用户MIMO（如圖1所示）上行鏈路通常被稱作多址接入信道（MAC），下行鏈路則為廣播信道（BC）。在上行鏈路中，所有用户工作在相同的頻段上，向同一個基站發送信號，然後基站通過適當的方法來區分用户數據，主要問題是基站如何針對不同的多址接入方式採用陣列處理、多用户檢測（MUD）或者其他有效方法來分離各個用户的數據。下行鏈路中，基站將通過處理的數據串並轉換成多個數據流，每一路數據流經脈衝成形、調製，然後通過多根天線同時發送到無線空間，每一個接收天線接收到的是基站發送給所有通信用户的信號與干擾噪聲的疊加，主要問題是如何消除由此帶來的多址干擾（MAI）。

由於多用户MIMO系統中各用户的信道彼此獨立，因此，用户一般能夠知道自己的信道狀態信息，卻很難獲得其他用户的信道信息，而獲得其他用户信道信息需要付出很大的代價。也就是説用户之間很難進行協作。與此相反，基站有條件獲得所有通信用户的信道狀態信息，對於時分雙工系統（TDD），這可由基站接收的上行鏈路的訓練或者導頻序列來獲得，對於頻分雙工（FDD）系統則可以通過反饋獲得。另外，基站的處理能力也要比移動台（MS）強得多，因此一般都是由基站在發射信號前做信號預處理（比如波束成形），以消除、抑制干擾或者在接收到信號之後進行後處理來區分用户。

與單用户MIMO不同的是，多用户MIMO系統的容量是一個多維的區域。假設總的發送功率一定，對於不同用户有可能分配不同的功率，從而產生許多不同的信息速率，結果就形成了以用户數目為維數的信道容量區域。例如，對於K個用户，信道容量區域則用K維的容量來表示。 ^[3] 

雖然多用户通信的傳統領域已經被充分研究過了，但在無線網絡中引入多天線之後，問題又變得複雜起來了。多用户MIMO具有很多優點，比如利用多天線的複用增益來擴大系統的吞吐量，利用多天線的分集增益來提高系統性能，利用天線的方向性增益來區分用户而消除用户間的干擾等等。然而，如果聯繫實際應用的實現問題，則必須把算法實現的複雜度也考慮進來，需要在性能和複雜度之間找一個折衷點。複雜度可以説是多用户MIMO技術所帶來的眾多優點所必需付出的代價。前面提到的空時處理方法和網絡調度都面臨着同樣的問題。

以空時處理為例。線性的空時處理方法複雜度比較低，但是性能較差，進一步迫近多用户信道的總容量，我們必須找到一種更好的處理方法，從這方面來説，DPC是個不錯的選擇，不過其編碼複雜度又太高，實現起來不容易。再加上如果將高斯信道擴展到更加符合實際的時間和頻率選擇性信道，處理的複雜度也就更加高了。另外，多用户MIMO信道的大部分處理方法都是假設發射端和接收端完全知道信道狀態信息（CSI），由於系統會有一定的處理時延，當信道變化劇烈的時候這實際上是很難得到的，因此還必須考慮得到的信道狀態信息不夠準確（ICSI）的情況 ^[3]  。

多用户MIMO的典型應用就是多天線基站的無線通信，即多天線基站同時和多個移動台進行通信。另外，向多個移動台發送數據的多個蜂窩小區基站的協調也受到關注。

其實，許多發射終端能夠合作而MIMO信道接收端卻不能夠協作的情形，都可以應用這種模型來分析。比如，每個用户存在線間串擾的DSL系統下行鏈路就是這樣一種情形，基站合作的多包多接入信道，高速電路的片對片互聯，以及頻率選擇性信道中用於多址接入的正交頻率複用（OFDM）等等都可以。和蜂窩系統中的多徑一樣，在這些情形下，如果在發射和接收端進行適當的信號處理，串擾和衰落就能提供額外的分集度。

在多用户MIMO技術優勢的驅動下，不少公司也逐漸將其推向市場。例如，Airgo Networks、ArrayComn和Vivato公司在802.11無線網絡中發展了多天線技術。當與多個無線用户通信時，這種多天線接入點具備多用户MIMO的提高吞吐量、增強分集度以及減少干擾的潛力。 ^[3]