多天線技術應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，包括很難達到較高的通信速率，提供服務速率的動態(tài)范圍不大，不能滿足各種業(yè)務類型要求，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）的構想。4G的關鍵技術包括：

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

研究表明，在基于CDMA技術的3G中使用多天線技術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

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

1.基本原理和結構

智能天線利用數(shù)字信號處理技術，采用先進的波束轉換技術（switched beam technology）和自適應空間數(shù)字處理技術（adaptive spatial digital processing technology），判斷有用信號到達方向（DOA）通過選擇適當?shù)暮喜嘀?，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；自適應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換智能天線（switched beam antenna）和自適應陣列智能天線（adaptive array antenna）。

（1）波束轉換智能天線

波束轉換智能天線具有有限數(shù)目的、固定的、預定義的方向圖，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）。波束轉換系統(tǒng)實現(xiàn)比較經(jīng)濟，與自適應天線相比結構簡單，無需迭代，響應快、魯棒性好。但預先設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　波束轉換智能天線

　?。?）自適應陣列智能天線

自適應陣列智能天線實時地對用戶到達方向（DOA）進行估計，在此方向上形成主波束，同時使旁瓣或零陷對準干擾方向。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結構，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對自適應陣列智能天線與波束轉換智能天線進行了比較。

圖3　自適應陣列智能天線（a）與束轉換智能天線（b）的比較

　　3.智能天線的自適應波束成形技術

智能天線技術研究的核心是自適應算法，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，對接收到的預先知道的參考信號進行處理可以確定出信道響應，再按一定準則（如迫零準則）確定各加權值，或者直接根據(jù)某一準則自適應地調(diào)整權值（即算法模型的抽頭系數(shù)）。常用的準則有最小均方誤差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導頻信號，它充分利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載信息比特無關的一些特征（如恒包絡、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等）來調(diào)整權值，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值，再用盲算法進行跟蹤和調(diào)整。

波束賦形的目標是根據(jù)系統(tǒng)性能指標，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行加權處理后，形成陣列輸出，使天線方向圖主瓣對準用戶信號到方向，天線陣列各陣元均參與自適應調(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行固定加權求和，形成指向不同方向的波速，第二級對一級輸出進行自適應加權調(diào)整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權系數(shù)，而是只對部分陣元作自適應處理，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)把智能天線技術作B3G移動通信發(fā)展的主要方向之一。

三、MIMO技術

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性從混合信號中分離估計出原始子碼流（見圖4）這相當于頻帶資源重復利用，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)射端和接收端結合，得到一個大的分集階數(shù)（diversity order）。假設發(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.復用增益

空分復用利用傳播環(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，并將它們合并恢復出原始信號（見圖5）。為獲得復用增益所付出的代價是使用天線而帶來的系統(tǒng)硬件復雜度和成本的增加。常見的幾種線性和非線性接收機有迫零接收機，V-BLAST接收機，最小均方誤差接收機和最大似然接收機等.

圖5　空分復用系統(tǒng)

　　3.MIMO與空時編碼

與MIMO技術密切相關的另一種技術是空時碼，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?，F(xiàn)有的研究表明，空時碼能夠獲得遠遠高于傳統(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行信道估計，如酉空時碼和差分空時碼。

4.MIMO和OFDM

OFDM技術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相結合的MIMO-OFDM系統(tǒng)既有很高的傳輸效率，又通過分集達到很強的可靠性，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，其潛力遠遠超過了傳統(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。