多天線技術(shù)應(yīng)用于第四代移動通信系統(tǒng)

一、引言

由于第三代移動通信系統(tǒng)（3G）還存在一些不足，包括很難達(dá)到較高的通信速率，提供服務(wù)速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務(wù)類型要求，以及分配給3G系統(tǒng)的頻率資源已經(jīng)趨于飽和等，于是人們提出了第四代移動通信系統(tǒng)（4G）的構(gòu)想。4G的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）調(diào)制和信號傳輸技術(shù)（OFDM）；
（2）先進(jìn)的信道編碼方式（Turbo碼和LDPC）；
（3）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）；
（4）軟件無線電技術(shù)；
（5）MIMO和智能天線技術(shù)；
（6）基于公共IP網(wǎng)的開放結(jié)構(gòu)。

研究表明，在基于CDMA技術(shù)的3G中使用多天線技術(shù)能夠有效降低多址干擾，空時處理能夠極大增加CDMA系統(tǒng)容量。憑在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線成為4G發(fā)展中炙手可熱的課題。

二、智能天線技術(shù)

智能天線最初用于雷達(dá)、聲納及軍事通信領(lǐng)域。使用智能天線可以在不顯著增加系統(tǒng)復(fù)雜程度的情況下滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。

1.基本原理和結(jié)構(gòu)

智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)（switched beam technology）和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），判斷有用信號到達(dá)方向（DOA）通過選擇適當(dāng)?shù)暮喜?quán)值，在此方向上形成天線主波束，同時將低增益旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號方向。在發(fā)射時，能使期望用戶的接收信號功率最大化，同時使窄波束照射范圍外的非期望用戶受到的干擾最小，甚至為零。

智能天線引入空分多址（SDMA）方式。在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶仍可以根據(jù)信號空間傳播路徑的不同而區(qū)分。實際應(yīng)用中，天線陣多采用均勻線陣或均勻圓陣。智能天線系統(tǒng)由天線陣；波束成形成網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)算法控制三部分組成（見圖1）。

圖1　典型的智能天線系統(tǒng)

2.智能天線的分類

智能天線主要分為波束轉(zhuǎn)換智能天線（switched beam antenna）和自適應(yīng)陣列智能天線（adaptive array antenna）。

（1）波束轉(zhuǎn)換智能天線

波束轉(zhuǎn)換智能天線具有有限數(shù)目的、固定的、預(yù)定義的方向圖，它利用多個并行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個用戶區(qū)，每個波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線元的數(shù)目而確定（見圖2）。波束轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實現(xiàn)比較經(jīng)濟(jì)，與自適應(yīng)天線相比結(jié)構(gòu)簡單，無需迭代，響應(yīng)快、魯棒性好。但預(yù)先設(shè)計好的工作模式有限，窄波束的特性將極大地影響系統(tǒng)性能。

圖2　波束轉(zhuǎn)換智能天線

　　（2）自適應(yīng)陣列智能天線

自適應(yīng)陣列智能天線實時地對用戶到達(dá)方向（DOA）進(jìn)行估計，在此方向上形成主波束，同時使旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾方向。自適應(yīng)天線陣列一般采用4～16天線陣元結(jié)構(gòu)，陣元間距為1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣，可能放大噪聲或干擾）。圖3對自適應(yīng)陣列智能天線與波束轉(zhuǎn)換智能天線進(jìn)行了比較。

圖3　自適應(yīng)陣列智能天線（a）與束轉(zhuǎn)換智能天線（b）的比較

　　3.智能天線的自適應(yīng)波束成形技術(shù)

智能天線技術(shù)研究的核心是自適應(yīng)算法，可分為盲算法、半盲算法和非盲算法。

非盲算法需借助參考信號，對接收到的預(yù)先知道的參考信號進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準(zhǔn)則（如迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值（即算法模型的抽頭系數(shù)）。常用的準(zhǔn)則有最小均方誤差MMSE(Minimum mean square error)、最小均方LMS(Least mean square)和遞歸最小二乘等；而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法，最常見的是最陡梯度下降法。

盲算法無須參考信號或?qū)ьl信號，它充分利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò)、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等）來調(diào)整權(quán)值，以使輸出誤差盡量小。常見的算法有常數(shù)模算法CMA(Constant module arithmetic)、子空間算法、判決反饋算法等。

非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但發(fā)送參考信號浪費了一定的系統(tǒng)帶寬。為此，又發(fā)展了半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。

波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶信號的最佳組合與分配。軟件無線電系統(tǒng)采用數(shù)安波束形成DBF(Digital bind form)。實現(xiàn)智能天線波束形成的方式有兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣并進(jìn)行加權(quán)處理后，形成陣列輸出，使天線方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號到方向，天線陣列各陣元均參與自適應(yīng)調(diào)整；波束空間處理方式包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成指向不同方向的波速，第二級對一級輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權(quán)系數(shù)，而是只對部分陣元作自適應(yīng)處理，其特點是計算量小，收斂快，并且有良好的波束保形性能。

4.智能天線的優(yōu)點及應(yīng)用

智能天線能夠獲得更大的天線覆蓋范圍；有效減少多徑衰落的影響，提高通信質(zhì)量，并能夠減少對其它用戶的干擾；增加頻譜效率和信道容量；動態(tài)信道分配；實現(xiàn)移動臺定位；提高通信安全性。

目前TD-SCDMA（時分同步碼分多址）是世界上惟一采用智能天線的第三代移動通信系統(tǒng)，國際上已經(jīng)把智能天線技術(shù)作B3G移動通信發(fā)展的主要方向之一。

三、MIMO技術(shù)

移動通信環(huán)境中存在多個散射體、反射體，在無線通信鏈路的發(fā)射與接收端存在多條傳播路徑，多徑傳播對通信的有效性與可靠性造成了嚴(yán)重的影響。研究表明，可以利用多徑引起的接收信號的某些空間特性實現(xiàn)接收端的信號分離。多輸入一多輸出（MIMO）技術(shù)在通信鏈路兩端均使用多個天線，發(fā)端將信源輸出的串行碼流轉(zhuǎn)成多路并行子碼流，分別通過不同的發(fā)射天線陣元同頻、同時發(fā)送，接收方則利用多徑引起的多個接收天線上信號的不相關(guān)性從混合信號中分離估計出原始子碼流（見圖4）這相當(dāng)于頻帶資源重復(fù)利用，可以在原有的頻帶內(nèi)實現(xiàn)高速率的信息傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。MIMO系統(tǒng)提供分集增益（diversity gain）和復(fù)用增益（multiplexing gain）。

圖4　MIMO無線傳輸系統(tǒng)

　　1.分集增益

MIMO系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端結(jié)合，得到一個大的分集階數(shù)（diversity order）。假設(shè)發(fā)射天線MT，接收天線數(shù)MR，最大鏈路數(shù)為MT×MR；如果所有這些鏈路具有相互獨立的衰落，則得到MT×MR階分集。

2.復(fù)用增益

空分復(fù)用利用傳播環(huán)境中豐富的多徑分量，多個數(shù)據(jù)通道共用一個頻率帶寬，從而使信道容量線性（與天線數(shù)成正比）增加，而不需要額外帶寬或功率消耗。

輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換后形成MT路較低速率的數(shù)據(jù)流，并在同一時刻經(jīng)過相同的頻帶從MT根發(fā)射天線發(fā)射出去。由于多徑傳播，每根接收天線所觀察到的是所有發(fā)射信號的疊加，而每根發(fā)射天線在接收端具有不同的空間信號，接端利用這些信號的差異分離出獨立的數(shù)據(jù)流，并將它們合并恢復(fù)出原始信號（見圖5）。為獲得復(fù)用增益所付出的代價是使用天線而帶來的系統(tǒng)硬件復(fù)雜度和成本的增加。常見的幾種線性和非線性接收機(jī)有迫零接收機(jī)，V-BLAST接收機(jī)，最小均方誤差接收機(jī)和最大似然接收機(jī)等.

圖5　空分復(fù)用系統(tǒng)

　　3.MIMO與空時編碼

與MIMO技術(shù)密切相關(guān)的另一種技術(shù)是空時碼，空時碼是適合于多天線陣信道的一種編碼方案。它綜合了空間分集和時間分集的優(yōu)點，同時提供分集增益和編碼增益。現(xiàn)有的研究表明，空時碼能夠獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)的頻帶利用率。按照空時碼適用信道環(huán)境的不同，可以將已有的空時編碼分成兩大類：一類要求接收端能夠準(zhǔn)確地估計信道特性，如分層空時碼、網(wǎng)格空時碼和分組空時碼；另一類不要求接收端進(jìn)行信道估計，如酉空時碼和差分空時碼。

4.MIMO和OFDM

OFDM技術(shù)是一種特殊的多載波傳輸方案，其多載波之間相互正交，可以高效利用頻譜資源，同時OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，可以有效抵抗頻率選擇性衰落。與MIMO相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)既有很高的傳輸效率，又通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性，從而成為第四代移動通信系統(tǒng)的研究熱點。

四、結(jié)束語

傳統(tǒng)的智能天線終端只在發(fā)射端或接收端配備多個天線元，通常是在基站，因為額外的開銷和空間與在移動臺相比更容易得到滿足。與智能天線系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端都為多天線，其潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的智能天線，可以使無線鏈路的容量有驚人的提高。MIMO信道的可分離性依賴于豐富多徑的存在，使信道具有空間選擇性。也就是說MIMO充分利用了多徑。與之相反，一些智能天線在視距（LOS）或近似視距的情況下性能更好，也就是說在通過減少多徑分量來獲得好的工作性能；另一些基于分集的智能天線技術(shù)可以在非視距條件下表現(xiàn)的良好的性能，但它們也是在努力消除多徑而不是利用多徑。多天線系統(tǒng)憑借其在提高頻譜效率方面的卓越表現(xiàn)，在4G中將發(fā)揮重要的作用。