1 前言
        无线通信系统中，信号传输的多径会引起衰落，使系统的性能恶化，MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术通过在发射端和接收端配置多根天线，抑制了信号的多径衰落，从而能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，解决了未来移动通信系统大容量高速率传输和日益紧张的频谱资源间的矛盾，因此，MIMO技术已经被纳入到多种无线通信技术标准之中，成为提高系统性能而必不可少的组成部分。
        MIMO系统根据收发天线数目的不同，可分为SISO（Single-Input Single-Output），MISO（Multiplt-Input Single-Output）、SIMO（Single-Input Multiple-Output）和MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）。
       传统的单速率MIMO系统，发射端数据首先要进行编码然后才会分解到不同的子数据流，并通过对应的天线发射出去，因此，每一条子数据流都不能独立地进行解码，此外，高速数据流在进行分解时，所有数据会平均分配到每一条子数据流上，因而分解后每条子数据流的数据速率都相同。这样设计，虽然系统实现比较简单，但是由于没有考虑到不同发射天线传输信道的差异，会造成一定的性能损失，进而影响系统的整体性能。
        为了解决传统单速率MIMO的弊端，每天线速率控制[1]（PARC）MIMO机制应运而生，PARC根据每条天线的传输信道情况对每条天线上发射的子数据流进行独立的调制编码，因而可以根据信道情况动态地调整每一条子数据流数据的传输速率。此外，通过将同一条天线上发射的子数据流数据和不同的扩频码相乘，可实现码字的复用。S-PARC[2]作为PARC的改进型，可根据传输信道情况，动态选择进行单流传输还是双流传输，以实现系统吞吐量的最大化。
        D-TxAA（Dual stream TxAA），是一种闭环自适应技术，主要原理是对独立子数据流进行预编码，然后在对应天线上通过相互正交的波束发射出去，从而减小天线之间干扰。
在3GPP25.876中，PARC被确认为UTRA TDD中MIMO的工作机制，而D-TxAA则主要用于UTRA FDD中。
HSPA+是在HSPA基础上的演进，在关键技术上，它保留了HSPA的如下特征：快速调度、混合自动重传和软合并（HARQ）、自适应调整和编码，同时保留了HSDPA/HSUPA的所有信道及特征：HS-PDSCH、HS-SCCH、HS-DPCCH等。因此，它向下完全兼容HSPA技术，但为了支持更高的速率和更丰富的业务，HSPA+也引入了更多的新技术，例如：MIMO、下行64QAM调制和上行16QAM调制等，在本文中，将对HSPA+中MIMO技术进行性能仿真分析。

2 HSPA+中MIMO技术概况

2.1 单速率MIMO
单速率MIMO系统的结构如图1和图2所示。发射端高速数据流经过编码、交织和映射后，分解为Nt＝2路低速子数据流，每一路子数据流分别通过n个不同的扩频码扩频后进行叠加、扰码，最终通过相应的发射天线发送出去。在接收端，对具有最高信噪比（SINR）的接收天线进行MMSE（最小均方误差）检测和恢复，然后对恢复后的信号进行重建，将重建后的信号从原始信号当中减去，从而消除了该数据流对其他数据流的干扰。

2.2 每天线速率控制(PARC)
PARC（Per-Antenna-Rate-Controls）是一种开环链路自适应技术，它通过动地态对天线的数据传输速率进行调整，从而使得系统的有效吞吐量得到提高。
PARC系统发射端如图3所示。高速数据流首先分解为Nt个低速子数据流，其中Nt为发射天线数目，分解后的Nt个低速子数据流独立地进行编码、交织和映射，然后分别同n个扩频码相乘进行扩频（n为终端所能支持的最多的HS-PDSCH的数目），扩频后地子数据流叠加到一起最后通过相应的发射天线发射出去。因为PARC机制中，每条天线的数据速率是独立的，因而分配到每一条天线上的数据量也是独立的。此外，每一条子数据流在送到对应的发射天线发射之前都要通过n个不同的扩频码进行扩频，从而实现码字复用。
 

PARC的接收机结构如图4所示。在PARC发射端，高速数据流是进行完分解后再对每一条子数据流分别进行调制编码映射，从而每一条子数据流都可以单独地解码。解码后的子数据流可以通过重建，并从原始接收信号当中减掉，从而消除了对其它数据流的干扰，这种干扰消除的方法叫做译码后干扰消除。通过采用译码后干扰消除，PARC机制可以获得相应的编码增益，而单速率MIMO的子数据流是先编码后分解的，因此不能独立解码，因此，只能采用译码前干扰消除，造成了一定的性能损失。除了进行数据接收之外，PARC接收端还需要对当前信道情况进行反馈，将每条发射天线的建议调制编码方式通过上行信道反馈到发射端，从而在下一次进行发送数据时，发射端可以根据接收端的反馈，选用对应的调制编码方式。
 

2.3  S-PARC
作为一种开环机制，在衰落信道下，PARC通过对每条天线进行速率控制，已经接近了MIMO系统在对应信道下的系统容量极限[4]。但当信道的情况比较恶劣时，即PARC在低SINR的环境下工作时，它所能提供的系统性能增益相对要小的多，为了进一步提高PARC的性能，尤其是在信道情况较为恶劣的情况下的系统性能，改进型的S-PARC（Selective PARC）[2]被提出。
S-PARC是PARC的演进技术，发射端通过接收端的反馈，选择相应的子数据流数和发射天线数，实现对天线工作机制和模式的动态调整，从而提高系统吞吐量。S-PARC原理图同PARC原理图相同，可参考图3图4。S-PARC与PARC的不同主要在于它能够根据接收端的反馈，动态调整各条发射端天线的发射模式和状态，使系统工作在更好的模式下。下面以2×2 S-PARC系统为例简述它的工作原理。对于2×2PARC系统，系统始终工作在双流模式下，每条发射天线都会发射一条经过独立调制编码的具有独立速率的子数据流，此时天线功率是在两根天线上平均分配的，接收端也会根据对每天发射天线信道情况的估计，向发射端发送MCS反馈。而在采用S-PARC时，接收端不但要对2条天线共同工作条件下，每条天线的信道情况进行估计，而且还要对每条天线单独工作时的信道情况进行估计，然后比较这两种情况下，系统所能提供的吞吐量，选取吞吐量最大的工作方式反馈给发射端，此时共有两种可能：一种为两条天线一起工作（双流模式）；另一种为单条天线工作（单流模式）。当采用双流模式时，S-PARC的工作原理同PARC，当采用单流模式时S-PARC的工作原理同传统的1Tx_2Rx，只不过此时的发射天线是两条天线当中信噪比较好的那条。

2.4 D-TxAA
D-TxAA是一种闭环的链路自适应技术，全称为Dual Stream Transmit Adaptive Antennas，发射端通过对每条子数据进行预编码和波束赋形，使接收方向上信噪比得到改善，从而提高系统性能，如图5所示。
 

在D-TxAA模式下，一个关键的步骤是发射端码本的选择：在D-TxAA机制下，接收端在反馈时，不但要反馈各天线的工作模式，还要根据当前信道情况，选择相应码本反馈给发射端，发射端根据接收端反馈，选择相应码本，对相应天线进行加权。由于D-TxAA码本之间正交，从而保证各条子数据流之间的正交性。
除了码本的选择，D-TxAA和S-PARC一样，也可以动态地根据信道情况进行单双流切换，使系统性能进一步提高。

3 性能仿真比较
对PARC、S-PARC、D-TxAA的性能仿真，通过采用Opnet仿真设计平台进行设计，采用C语言进行编写，整个仿真性能对比以系统吞吐量作为衡量标准。采用19个小区，每个小区3个扇区，单扇区10个用户均匀分布。对于宏小区，小区半径为3000m，微小区半径为1000m。基站和终端采用2×2天线配置，无线信道模型参考3GPP 25.996。
仿真对1Tx_2Rx、PARC、S-PARC、D-TxAA 4种MIMO机制，在郊区宏小区、市区宏小区、市区微小区（NLOS）、市区微小区（LOS）4种小区场景下的系统性能进行对比，并采用1Tx_2Rx作为参考机制。
 
通过仿真结果可以看出：
（1）在郊外宏小区场景下，相对于1Tx_2Rx，PARC则可以提供接近30%的增益，S-PARC可以提供50%的增益，D-TxAA提供增益最大，接近60%。在城市宏小区场景下，对应的增益分别为：20%、30%和35%。
（2）在城市宏小区（NLOS）场景下，PARC、S-PARC、D-TxAA都可以提供近似于城市宏小区场景下的增益，分别为：18%，28%，32%。在这三种场景下，采用PARC、S-PARC、D-TxAA三种MIMO机制，使系统性能得到了大幅提升，D-TxAA提供的性能增益最为明显，优于另外两种开环机制，这是因为D-TxAA除了能够进行每天线速率控制、动态调整天线工作模式之外，还能够通过预编码对天线进行加权，从而改善了系统的性能。但D-TxAA相对于其他两种开环MIMO机制的高性能以增加系统复杂度、增加上行信道负载为代价；S-PARC由于可以自适应进行模式选择，性能优于PARC。
（3）在城市宏小区（LOS）场景下，由于直射径的存在，天线之间存在较强的相关性，使得采用MIMO技术性能出现恶化，PARC性能甚至要比1Tx_2Rx差，S-PARC和D-TxAA也分别只能提供10%左右的性能增益。对于PARC来说，由于采用固定的双流模式，如果天线之间相关性较大，单天线SINR较差，只能为每条发射天线选择较小的MCS，而且这种情况下，接收端返回NACK概率也会增加，从而系统性能变得恶化，以至于低于传统的1Tx_2Rx模式。而S-PARC在这种情况下，可以在双流模式和单流模式下选择最好的工作方式，即使在城市宏小区（LOS）情况下，仍然可以提供10%的性能增益。而D-TxAA除了能进行模式选择外，预编码技术也给提供一定的增益补偿，性能也会优于S-PARC。
通过上述性能分析可以看出：D-TxAA相对于开环PARC、S-PARC能提供更大的性能增益。但是，D-TxAA的实现要比另外复杂得多，上行信道负载也会变大，此外D-TxAA对天线预测也有很高的要求，大大限制了其应用。而S-PARC作为一种开环的MIMO技术，不但实现简单，而且所能提供的系统性能增益也只比D-TxAA差一点，相信在将来实际系统当中必然会得到很广泛的应用。