自適應(yīng)多天線技術(shù)

　　多天線技術(shù)，是指在發(fā)送端或接收端都采用多根天線的無線通信技術(shù)，是近期發(fā)展較快的熱點(diǎn)研究技術(shù)之一。采用多天線技術(shù)可獲得功率增益、空間分集增益、空間復(fù)用增益、陣列增益和干擾抑制增益［1］，從而可以在不顯著增加無線通信系統(tǒng)成本的同時，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍、鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)傳輸速率。多天線技術(shù)有不同的實(shí)現(xiàn)模式，如波束賦形［2］、循環(huán)延遲分集［3］，空間分集［4-6］、空間復(fù)用［7］，以及他們之間的結(jié)合。

　　1 多天線技術(shù)模式介紹

　　每種多天線技術(shù)模式都各有其特點(diǎn)，下面將詳細(xì)介紹他們的原理和特點(diǎn)。

　　（1） 空間分集技術(shù)

　　空間分集是在空間引入信號冗余以達(dá)到分集的目的。如圖1中空間分集所示，發(fā)送端通過在兩根天線的兩個時刻發(fā)送正交的信息集合，從而獲得分集增益。

　?。?） 空間復(fù)用技術(shù)

　　空間復(fù)用是在每根天線上的同一時頻資源上，發(fā)送不同信息，以達(dá)到在不增加頻譜資源的情況下成倍提高頻譜效率的目的，如圖1中空間復(fù)用所示。通常人們將空間分集和空間復(fù)用技術(shù)稱為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。

　?。?） 波束賦形技術(shù)

　　波束賦形（BF）是基于自適應(yīng)天線原理，利用天線陣列通過先進(jìn)的信號處理算法分別對各物理天線進(jìn)行加權(quán)處理的一種技術(shù)。如圖2所示，發(fā)射端對數(shù)據(jù)流S1進(jìn)行加權(quán)，并發(fā)送出去。在接收端看來，整個天線陣列相當(dāng)于一根虛擬天線。通過加權(quán)處理后，天線陣列形成一個窄發(fā)射波束對準(zhǔn)目標(biāo)接收端，并在干擾接收端方向形成零點(diǎn)以減小干擾。

　?。?） MIMO+BF技術(shù)

　　由于BF技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，沒有復(fù)用增益。尤其是當(dāng)信道質(zhì)量較好時，使用BF帶來的傳輸速率提升并不明顯。因此，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)傳輸速率，可將BF技術(shù)與MIMO結(jié)合起來［8-9］。空間分集與波束賦形的結(jié)合，稱為空間分集波束賦形（SD＋BF）；而空間復(fù)用與波束賦形的結(jié)合，則稱為復(fù)用波束賦形（SM＋BF）。其中的一種實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列，在每個子陣列上利用波束賦形技術(shù)，形成一根虛擬天線或者波束，2個波束間構(gòu)成空間分集或者空間復(fù)用。

　?。?） 循環(huán)延遲分集技術(shù)

　　循環(huán)延遲分集（CDD）是正交頻分復(fù)用（OFDM）［10］技術(shù)中常用的一種多天線發(fā)送分集方案，他在各個物理天線上發(fā)送相同的頻域數(shù)據(jù)，并對時域的 OFDM符號進(jìn)行不同的循環(huán)延遲，以此來獲得頻域分集增益。其發(fā)送端如圖4所示，時域數(shù)據(jù)流S1在各物理天線上分別進(jìn)行循環(huán)延遲δi后再發(fā)送出去。其中，δi為循環(huán)延遲量，i=1，2，3，4，δ1一般為0。經(jīng)過CDD處理后，整個天線陣列在接收端看來，也相當(dāng)于一根虛擬天線。

　?。?） CDD +MIMO 技術(shù)

　　由于CDD技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，當(dāng)信道條件比較好時，可以跟MIMO技術(shù)相結(jié)合來提升傳輸速率［11-12］?？臻g分集與循環(huán)延遲分集的結(jié)合，稱為空間分集循環(huán)延遲分集（SD＋CDD）；而空間復(fù)用與循環(huán)延遲分集的結(jié)合，稱為空間復(fù)用循環(huán)延遲分集（SM＋CDD）。其中的一種實(shí)現(xiàn)方案如圖5 所示，發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列，每個子陣列做CDD處理，形成一根虛擬天線。

　　　2 多天線技術(shù)比較

　　（1） 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

　　每種多天線技術(shù)模式在每根物理 天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)是不一樣的。以IEEE 802.16e［4］ 4天線為例，在兩個相鄰的符號內(nèi)，并在同一個數(shù)據(jù)子載波上，每根物理天線發(fā)送的頻域數(shù)據(jù)流如表1所示?？臻g復(fù)用使用的是BLAST編碼［7］；空間分集使用的是Alamouti編碼，他在兩個正交頻分多址（OFDMA）符號間引入冗余。第i 根發(fā)送天線上第k個數(shù)據(jù)子載波對應(yīng)的BF權(quán)值為wi（k）， i =1，2，3，4。另外，對時域數(shù)據(jù)進(jìn)行的循環(huán)延遲，等價(jià)于頻域數(shù)據(jù)乘以一個相位旋轉(zhuǎn)

　　其中，系數(shù)0.5是功率歸一化因子，NF是IFFT的點(diǎn)數(shù)，k是子載波索引，δ1是CDD的循環(huán)延遲量，i =1，2，3，4。數(shù)據(jù)流為S1，S2，S3，S4……。

　?。?） 特點(diǎn)

　　一般情況下，BF、SD＋BF、SM＋BF需要根據(jù)信道狀態(tài)信息動態(tài)調(diào)整權(quán)值，屬于閉環(huán)技術(shù)，需要對導(dǎo)頻進(jìn)行波束賦形，所以必須支持專用導(dǎo)頻；而 CDD、SD＋CDD、SM＋CDD可以在發(fā)送端并不知曉信道狀態(tài)信息的情況下完成，屬于開環(huán)技術(shù)。SM＋BF、SM＋CDD在不同的虛擬天線上可以發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，在信道條件比較好的情況下，能提升系統(tǒng)的傳輸能力，滿足用戶高速率傳輸數(shù)據(jù)的需求；而BF、SD＋BF、CDD、SD＋CDD主要依靠在空間維引入冗余以達(dá)到分集增益，進(jìn)而增加鏈路的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。另外，SD＋BF、SD＋CDD 每個虛擬天線可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，并在時域或頻域引入冗余以獲得空間分集增益，平均1個時刻只發(fā)1個數(shù)據(jù)流；BF、CDD每個時刻只有1個數(shù)據(jù)流，更適合信道相關(guān)性高的場景，實(shí)現(xiàn)簡單，對用戶透明，且不要求支持MIMO技術(shù)。在所有這些多天線技術(shù)模式中，比較常見的天線配置是發(fā)送端共有4根或者8根天線，而接收端只有1～2根天線。以上這些特點(diǎn)的總結(jié)如表2中所示。

　?。?） 影響因素

　　CDD、SD＋CDD、SM＋CDD靠人為引入信道多徑時延來獲得頻域分集增益，他們可以在未知信道狀態(tài)信息的情況下完成；而BF、SD＋BF、 SM＋BF則需要估算波束賦形的權(quán)值，并要求用戶反饋信道狀態(tài)信息，或利用信道的互易性特點(diǎn)，因此其性能會在很大程度上受權(quán)值估計(jì)的準(zhǔn)確性和及時性影響。表3總結(jié)適合各種多天線技術(shù)模式的應(yīng)用場景［13］。

　　3 自適應(yīng)模式切換

　　每種多天線技術(shù)模式都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場景。實(shí)際通信時，由于用戶的物理位置、信道環(huán)境、移動速度、業(yè)務(wù)類型等存在著很大的差異，單獨(dú)使用哪種技術(shù)都不能最佳地發(fā)揮系統(tǒng)的性能。無線通信系統(tǒng)需要在不同的模式間自適應(yīng)地切換，以適應(yīng)信道環(huán)境等因素的改變，從而最大限度地提升系統(tǒng)的性能，滿足用戶高質(zhì)量的通信要求［14］。

　　實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)各種多天線技術(shù)模式的自適應(yīng)切換是一個充滿挑戰(zhàn)的工作。首先，影響多天線技術(shù)模式性能的因素有很多［15］。所以算法設(shè)計(jì)時，需要對這些影響因素進(jìn)行深入分析和研究，并根據(jù)情況設(shè)計(jì)不同的算法以滿足系統(tǒng)配置、信道條件、業(yè)務(wù)類型等多樣性要求。

　　其次，模式切換的類型很多。我們在對多天線技術(shù)的性質(zhì)進(jìn)行深入分析和大量仿真的基礎(chǔ)上，將切換類型分成3類：BF相關(guān)技術(shù)（BF、SD＋BF、 SM＋BF）之間的相互切換；CDD相關(guān)技術(shù)（CDD、SD＋CDD、SM＋CDD）之間的相互切換；BF相關(guān)技術(shù)與CDD相關(guān)技術(shù)之間的切換，如圖6所示。

　　根據(jù)接收端的移動速度或者相鄰兩個權(quán)值的相關(guān)性，選擇使用BF相關(guān)技術(shù)或者CDD相關(guān)技術(shù)。如果選擇了BF相關(guān)技術(shù)，那么需要計(jì)算SM＋BF、 SD＋BF、BF模式下的頻譜效率，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式；如果選擇了CDD相關(guān)技術(shù)，則需要計(jì)算SM＋CDD、SD＋CDD、 CDD頻譜效率，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式。

　　4 結(jié)束語

　　文章介紹了各種多天線技術(shù)模式的概念，分析比較了各種多天線技術(shù)模式的性能、影響因素和應(yīng)用場景。最后介紹了多天線技術(shù)模式切換的算法。

　　中興通訊對多天線技術(shù)的研究進(jìn)行了大量的投入，并且取得了顯著的成果，是最早掌握該技術(shù)的通信設(shè)備商之一。不僅實(shí)現(xiàn)了各種多天線技術(shù)模式，還對影響多天線技術(shù)的因素進(jìn)行了深入的分析、大量仿真和實(shí)際系統(tǒng)的驗(yàn)證?？梢愿鶕?jù)場景或者信道環(huán)境靈活地選擇多天線技術(shù)模式，以最大限度地提高通信系統(tǒng)的性能，從而能夠滿足客戶的高質(zhì)量通信要求。