4G中的MIMO智能天線技術(shù)

　　一、引言

　　智能天線通常也稱作自適應(yīng)天線陣列，可以形成特定的天線波束，實(shí)現(xiàn)定向發(fā)送和接收，主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看，它利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系，即利用了信號的相位關(guān)系克服多址干擾及多徑干擾，這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。

　　MIMO系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)，其有效地利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。其核心技術(shù)是空時信號處理，即利用在空間中分布的多個時間域和空間域結(jié)合進(jìn)行信號處理。因此，可以被看作是智能天線的擴(kuò)展。

　　智能天線系統(tǒng)在移動通信鏈路的發(fā)射端/或接收端帶有多根天線，根據(jù)信號處理位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術(shù)被定義為多入單出 (MISO，Multiple Input Single Output)、單入多出(SIMO，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)等幾種方式。

　　二、多入多出智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)及研究進(jìn)展

　　從圖1可以看出，比特流在經(jīng)過編碼、調(diào)制和空時處理(波束成行或空時編碼)后，映射成不同的信息符號，從多個天線同時發(fā)射出去;在接收端用多個天線接收，進(jìn)行相應(yīng)解調(diào)、解碼及空時處理。

　　圖1　多輸入多輸出智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)

　　MIMO 系統(tǒng)中的空時處理技術(shù)主要包括波束成形(beamforming)、空時編碼(space-time coding)、空間復(fù)用(space multiplexing)等。波束成形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對準(zhǔn)期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾，其關(guān)鍵是波束 成行權(quán)值的確定。

　　1.MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案

　　MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型： 最大化數(shù)據(jù)率的發(fā)射方案(空間復(fù)用SDM)和最大化分集增益的發(fā)射方案(空時編碼STC)。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案主要通過在不同天線發(fā)射相互獨(dú)立的信號實(shí) 現(xiàn)空間復(fù)用?？諘r編碼的方案是指在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率，它通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度， 從而使信號在接收端獲得分集增益，但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。

　　(1)空時編碼

　　一些文獻(xiàn)中給出了大量的發(fā)射機(jī)制，這些機(jī)制分別可以使頻譜 效率最大、速率最高、信噪比(SNR，Signal to Noise Ratio)最大，它們都依賴信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)在發(fā)射端和接收端的已知程度。CSI在接收端通過信道估計可以獲得，然后，通過反饋可以通知發(fā)射端。

　　對于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機(jī)制，可以引入空時編碼或者采用空間復(fù)用增益來利用空間維數(shù)。空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。接收到的信號通過最大似然 (ML，Maximum Likelihood)譯碼器進(jìn)行檢測。最早的空時編碼是空時格碼STTC(Space-Time Trellis Code)，在這種方式下，接收端需要多維維特比算法。STTC可以提供的分集等于發(fā)射天線的數(shù)目，提供的編碼增益取決于碼字的復(fù)雜度而無需犧牲帶寬效 率?？諘r分組編碼(STBC，Space-Time Block Code)可以提供與STTC相同的分集增益，但是它沒有編碼增益。又由于STBC在譯碼時只需要線性處理，因此，通常都使用STBC。空時編碼技術(shù)一般 假設(shè)CSI在接收端是完全已知的，當(dāng)CSI在兩端都未知時，提出了酉空時編碼和差分空時編碼。

　　(2)空間復(fù)用

　　空間復(fù)用是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號，在接收端用ZF，MMSE，ML，V-BLAST[3]等方法進(jìn)行解碼。它能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，可犧牲一些數(shù)據(jù)率獲得更高的分集增益。

　　(3) 空間復(fù)用和空時編碼結(jié)合

　　將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合，在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率。目前，將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合的 方案主要有兩種，鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應(yīng)MIMO系統(tǒng)。鏈接編碼方案是指在內(nèi)部使用空時編碼，外部使用傳統(tǒng)的信道糾錯碼(TCM，卷積碼，RS 碼)的編碼方案[4]，這種方案既能提供分集增益，又能提高系統(tǒng)容量。因為信道間的相關(guān)性將影響多天線系統(tǒng)的頻譜效率，當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性 小時，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，當(dāng)信道間相關(guān)性大時，采用空時編碼的發(fā)射方案。

　　2.MIMO的接收分集技術(shù)

　　MIMO 系統(tǒng)在接收端的解碼算法主要有ZF算法、MMSE算法、判決反饋解碼算法、最大似然解碼算法和分層空時處理算法(bell labs layered space-time，BLAST)。其中，迫零算法和MMSE算法是線性算法，而判決解碼算法，最大似然解碼算法和分層空時處理算法是非線性算法。在 SIMO或者M(jìn)IMO通信鏈路的接收端，接收機(jī)或者均衡器利用多徑信號重構(gòu)發(fā)射信號。在非頻率選擇SIMO信道下，最優(yōu)接收機(jī)制是最大比合并 (MRC，Maximum Ratio Combining);而對于頻率選擇SIMO信道，最優(yōu)接收機(jī)制是ML檢測，但它是非線性的，其復(fù)雜度與天線數(shù)目成指數(shù)關(guān)系(可以用線性譯碼器來代替， 但是性能會有所下降)。

　　ZF均衡器通過信道的逆可以消除符號間干擾ISI(InterSymbol Interference)，但是其代價是對噪聲產(chǎn)生了放大。MMSE接收機(jī)可以在噪聲放大和ISI消除之間進(jìn)行折衷?；谂袥Q反饋的一種次優(yōu)非線性機(jī)制 判決反饋均衡(DFE，Decision Feedback Equalizer)可以用于改善線性均衡器的性能，它通過反饋濾波器將以前符號產(chǎn)生的部分ISI從目前的符號中消除。ML和線性均衡可以擴(kuò)展到MIMO 信道中，與MIMO接收機(jī)相關(guān)的問題就是多流干擾(MSI，Multistream)的存在。MSI會導(dǎo)致多個數(shù)據(jù)流之間的相互干擾。非線性連續(xù)抵消均衡 器或者V-BLAST均衡器可以將MIMO信道轉(zhuǎn)換成一些并行信道，但是該機(jī)制可能存在差錯傳播現(xiàn)象。

　　3.MIMO系統(tǒng)中的波束成形技術(shù)

　　(1) 特征波束成形

　　MIMO系統(tǒng)的系統(tǒng)模型為r=Hs+n，將信道矩陣H進(jìn)行奇異值分解，如果發(fā)射端已知信道信息，通過發(fā)射端的特征波束成形和接收端的線性處 理，可將MIMO信道分成平行的子信道。如果發(fā)射端不知道信道狀態(tài)信息，在多用戶的環(huán)境下，可以采用隨機(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集。

　　(2) 波束成形與空時編碼結(jié)合

　　大多數(shù)情況下，假設(shè)CSI的部分信息在發(fā)射端已知是合理的，因而提出了空時編碼和波束成形相結(jié)合的混合機(jī)制?？諘r編碼和波束成形是 兩種不同的發(fā)送分集技術(shù)?？諘r編碼屬于開環(huán)分集技術(shù)，在發(fā)送端不需信道信息;陣列波束成形屬于閉環(huán)分集技術(shù)，利用信道反饋信息進(jìn)行空間濾波或干擾抑制，信 道反饋的準(zhǔn)確性會嚴(yán)重影響波束成形的效果。當(dāng)發(fā)送端獲得部分信道狀態(tài)信息時(如信道均值或信道協(xié)方差矩陣)，可以根據(jù)信道信息選擇發(fā)射策略(波束成形或空 時編碼[5])。波束成形的權(quán)值在保證接收端達(dá)到信噪比和誤碼率要求的條件下，由反饋信道信息決定，文獻(xiàn)[6][7]中指出結(jié)合功率分配，波束成形和空時 編碼對發(fā)射機(jī)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在不增加設(shè)備復(fù)雜度和損失發(fā)射速率的條件下，提供了比傳統(tǒng)空時編碼更好的性能。

　　總之，描述多入多出智能天線收發(fā) 機(jī)特征的性能度量為均方誤差(MSE，Mean Square Error)、SNR、誤比特率(BER，Bit Error Rate)、可達(dá)吞吐量、需要的發(fā)射功率和信道容量。發(fā)射和接收機(jī)制都是根據(jù)這些準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化的。設(shè)計它的收發(fā)機(jī)要特別關(guān)注以下4個關(guān)鍵參數(shù)：(1)在發(fā) 射端和接收端CSI的可靠性;(2)發(fā)射信號的特征(調(diào)制、復(fù)用和訓(xùn)練信息);(3)要優(yōu)化的性能度量;(4)計算復(fù)雜度的大小。

　　三、智能天線的優(yōu)點(diǎn)

　　在 移動通信系統(tǒng)中，多徑及多徑時延擴(kuò)展是移動通信中存在的主要問題。多徑傳播將導(dǎo)致信號嚴(yán)重衰落，時延擴(kuò)展導(dǎo)致符號間干擾，這將會嚴(yán)重地影響通信鏈路的質(zhì) 量。同時，共信道干擾是移動通信系統(tǒng)容量的主要限制因素，它將影響用戶對有效網(wǎng)絡(luò)資源(頻率、時間)的復(fù)用。智能天線通過利用多徑可改善鏈路的質(zhì)量，通過 減小相互干擾來增加系統(tǒng)容量，并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。總之，智能天線的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：

　　(1)增加覆蓋范圍

　　在接收端天線陣列對信號進(jìn)行相干接收，可產(chǎn)生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數(shù)目成正比。

　　(2)降低功率/減小成本

　　智能天線對特定用戶的傳輸進(jìn)行優(yōu)化，可以降低發(fā)射功率，從而降低放大器的成本。

　　(3) 改善鏈路質(zhì)量/增加可靠性

　　分集的形式包括時間分集、頻率分集、碼分集和空間分集等。當(dāng)用智能天線對空間域進(jìn)行抽樣時就會產(chǎn)生空間分集。在非頻率選擇性衰落 的MIMO信道中，最大的空間分集階數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)目和接收天線數(shù)目的乘積。多個發(fā)射天線通過采用特殊的調(diào)制和編碼機(jī)制就可以產(chǎn)生發(fā)射分集，而多個接收 天線的接收分集取決于對獨(dú)立衰落信號的合并。

　　(4)增加頻譜效率

　　通過不同方法精確地控制發(fā)射功率會減小同道干擾，從而增加使用同樣資源的用戶數(shù) 目。通過波束成形實(shí)現(xiàn)空分多址(SDMA)可以實(shí)現(xiàn)資源的復(fù)用，從而增加數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。該增益也被稱為空間復(fù)用增益。MIMO系統(tǒng)中利用多個獨(dú)立的 空間維數(shù)來同時傳送數(shù)據(jù)，在不相關(guān)瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發(fā)天線數(shù)目的最小值成正比。

　　通常設(shè)計智能天線主要集中在上面提到的某一種增益，如波束成形、分集增益、復(fù)用增益。最近這些增益之間的相互折衷已經(jīng)成為研究的焦點(diǎn)。

　　四、未來移動通信系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)

　　未來移動通信系統(tǒng)需要可以適用于各種通信環(huán)境的信號處理技術(shù)，因此，未來智能天線設(shè)計的初始階段必須認(rèn)真地考慮在性能和復(fù)雜度之間折衷地優(yōu)化。

　　1.物理層的可重配置性

　　為 了使移動通信通信收發(fā)機(jī)可以工作在多參數(shù)連續(xù)改變的環(huán)境中，需要在收發(fā)機(jī)中采用可重新配置的自適應(yīng)技術(shù)來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，從而獲得最好的性能。智能天線收發(fā)機(jī)中 的可重配置性可以看作是在各種不同環(huán)境中收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的智能切換。例如，文獻(xiàn)[8][9]提出了在MIMO信道中用于空間分集和復(fù)用相互折衷的算法。

　　2.不同層之間的優(yōu)化

　　OSI(Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連)模型定義的高層之間的相互作用可以提高整個系統(tǒng)的性能。通過結(jié)合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)設(shè)計智能天 線，即考慮到各層之間相互關(guān)系來設(shè)計，而不是單獨(dú)考慮某一層。實(shí)踐表明，單獨(dú)考慮一層的設(shè)計方法性能評估是低效的。例如，當(dāng)引入調(diào)度后，通過空時編碼所得 到的增益將會減小，甚至?xí)А?/p>

　　OSI不同層之間交換的信息可以歸類如下：(1)CSI：需要估計出信道脈沖響應(yīng)、定位信息、車載速度、信 號強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度、干擾模型等。(2)QoS相關(guān)的參數(shù)：包括時延、吞吐量、誤比特率、分組差錯率(PER，Packet Error Rate)等。(3)物理層資源：包括空間處理機(jī)制、天線陣列的數(shù)目、電池電量的損耗等。

　　考慮層之間的優(yōu)化準(zhǔn)則是非常重要的。在實(shí)際系統(tǒng) 中，智能天線的鏈路質(zhì)量不僅取決于采用的數(shù)據(jù)檢測方法，而且還取決于特定的編碼機(jī)制以及在鏈路層采用的媒體接入控制(MAC，Medium Access Control)功能，還取決于高層采用的協(xié)議棧性能。因此，在設(shè)計時應(yīng)該綜合考慮上述因素，而不是單獨(dú)考慮某一個因素。對于時延不敏感業(yè)務(wù)，將智能天線 技術(shù)如V-BLAST同混合自動請求重復(fù)(H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)機(jī)制結(jié)合。

　　3.多用戶分集

　　在 多用戶通信中，一種叫做機(jī)會機(jī)制的通信方式得到了人們的重視。其基本思想是通過把信道分配給那些最有可能完成連續(xù)傳輸?shù)挠脩魜韽?fù)用。這樣可以使系統(tǒng)的吞吐 量最大化。對于反射空間信道，機(jī)會波束成形方法會指向具有最高SNR的用戶;另一方面，在充分散射情況下，機(jī)會機(jī)制會把信道分配給那些具有最高瞬時容量的 用戶。機(jī)會機(jī)制可以產(chǎn)生多用戶分集，多用戶分集可以是碼分集、時間分集、頻率分集或者空間分集的補(bǔ)充。但是影響MAC協(xié)議的設(shè)計，MAC將放棄沖突檢測機(jī) 制而轉(zhuǎn)向多用戶機(jī)制。

　　4.實(shí)際的性能評估

　　在未來移動通信系統(tǒng)中，采用智能天線主要依賴兩種研究的結(jié)果：

　　(1)在未來系統(tǒng)的設(shè)計階段就要考慮到智能天線和移動通信環(huán)境的特性，如傳播特性、天線陣列配置、業(yè)務(wù)模式、干擾情況、信號帶寬的有效性，從而保證兼容性;

　　(2)根據(jù)與未來系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，通過鏈路級仿真和系統(tǒng)級仿真的優(yōu)化折衷來評估智能天線的實(shí)際性能。

　　五、小結(jié)

　　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。本文采用智能天線與MIMO系統(tǒng)結(jié)合，給出了多輸入多輸出智能天線收發(fā)機(jī)空時信號處理方案，討論了智能天線的優(yōu)點(diǎn)和 未來智能天線的發(fā)展趨勢同時也闡述了設(shè)計中會遇到的問題?？傊侠淼厥褂弥悄芴炀€技術(shù)將大大地提高未來移動通信系統(tǒng)的性能。