4G中的MIMO智能天線技術

　　一、引言

　　智能天線通常也稱作自適應天線陣列，可以形成特定的天線波束，實現(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系，即利用了信號的相位關系克服多址干擾及多徑干擾，這是它與傳統(tǒng)分集技術的本質(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)，其有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務傳輸速率。其核心技術是空時信號處理，即利用在空間中分布的多個時間域和空間域結合進行信號處理。因此，可以被看作是智能天線的擴展。

　　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)機結構及研究進展

　　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，進行相應解調(diào)、解碼及空時處理。

　　圖1　多輸入多輸出智能天線收發(fā)機結構

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

　　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)射相互獨立的信號實 現(xiàn)空間復用?？諘r編碼的方案是指在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導致的符號錯誤率，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

　　一些文獻中給出了大量的發(fā)射機制，這些機制分別可以使頻譜 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)射機制，可以引入空時編碼或者采用空間復用增益來利用空間維數(shù)?？諘r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?？諘r編碼技術一般 假設CSI在接收端是完全已知的，當CSI在兩端都未知時，提出了酉空時編碼和差分空時編碼。

　　(2)空間復用

　　空間復用是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，在接收端用ZF，MMSE，ML，V-BLAST[3]等方法進行解碼。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) 空間復用和空時編碼結合

　　將空間復用和空時編碼相結合，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，將空間復用和空時編碼相結合的 方案主要有兩種，鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應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。因為信道間的相關性將影響多天線系統(tǒng)的頻譜效率，當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關性 小時，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，當信道間相關性大時，采用空時編碼的發(fā)射方案。

　　2.MIMO的接收分集技術

　　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MIMO通信鏈路的接收端，接收機或者均衡器利用多徑信號重構發(fā)射信號。在非頻率選擇SIMO信道下，最優(yōu)接收機制是最大比合并 (MRC，Maximum Ratio Combining);而對于頻率選擇SIMO信道，最優(yōu)接收機制是ML檢測，但它是非線性的，其復雜度與天線數(shù)目成指數(shù)關系(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接收機可以在噪聲放大和ISI消除之間進行折衷?；谂袥Q反饋的一種次優(yōu)非線性機制 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和線性均衡可以擴展到MIMO 信道中，與MIMO接收機相關的問題就是多流干擾(MSI，Multistream)的存在。MSI會導致多個數(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信道轉換成一些并行信道，但是該機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

　　(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，可以采用隨機波束成形方法實現(xiàn)多用戶分集。

　　(2) 波束成形與空時編碼結合

　　大多數(shù)情況下，假設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合的混合機制?？諘r編碼和波束成形是 兩種不同的發(fā)送分集技術?？諘r編碼屬于開環(huán)分集技術，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，利用信道反饋信息進行空間濾波或干擾抑制，信 道反饋的準確性會嚴重影響波束成形的效果。當發(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])。波束成形的權值在保證接收端達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[6][7]中指出結合功率分配，波束成形和空時 編碼對發(fā)射機進行聯(lián)合優(yōu)化，在不增加設備復雜度和損失發(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)、可達吞吐量、需要的發(fā)射功率和信道容量。發(fā)射和接收機制都是根據(jù)這些準則進行優(yōu)化的。設計它的收發(fā)機要特別關注以下4個關鍵參數(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、復用和訓練信息);(3)要優(yōu)化的性能度量;(4)計算復雜度的大小。

　　三、智能天線的優(yōu)點

　　在 移動通信系統(tǒng)中，多徑及多徑時延擴展是移動通信中存在的主要問題。多徑傳播將導致信號嚴重衰落，時延擴展導致符號間干擾，這將會嚴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)絡資源(頻率、時間)的復用。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)?？傊?，智能天線的優(yōu)點可以歸納如下：

　　(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。當用智能天線對空間域進行抽樣時就會產(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。通過波束成形實現(xiàn)空分多址(SDMA)可以實現(xiàn)資源的復用，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用增益。MIMO系統(tǒng)中利用多個獨立的 空間維數(shù)來同時傳送數(shù)據(jù)，在不相關瑞利衰落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。

　　四、未來移動通信系統(tǒng)中的智能天線技術

　　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，因此，未來智能天線設計的初始階段必須認真地考慮在性能和復雜度之間折衷地優(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)機中采用可重新配置的自適應技術來調(diào)節(jié)結構，從而獲得最好的性能。智能天線收發(fā)機中 的可重配置性可以看作是在各種不同環(huán)境中收發(fā)機結構的智能切換。例如，文獻[8][9]提出了在MIMO信道中用于空間分集和復用相互折衷的算法。

　　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。通過結合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層的參數(shù)設計智能天 線，即考慮到各層之間相互關系來設計，而不是單獨考慮某一層。實踐表明，單獨考慮一層的設計方法性能評估是低效的。例如，當引入調(diào)度后，通過空時編碼所得 到的增益將會減小，甚至會消失。

　　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、定位信息、車載速度、信 號強度、干擾強度、干擾模型等。(2)QoS相關的參數(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)化準則是非常重要的。在實際系統(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，在設計時應該綜合考慮上述因素，而不是單獨考慮某一個因素。對于時延不敏感業(yè)務，將智能天線 技術如V-BLAST同混合自動請求重復(H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)機制結合。

　　3.多用戶分集

　　在 多用戶通信中，一種叫做機會機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)挠脩魜韽陀?。這樣可以使系統(tǒng)的吞吐 量最大化。對于反射空間信道，機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，機會機制會把信道分配給那些具有最高瞬時容量的 用戶。機會機制可以產(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充。但是影響MAC協(xié)議的設計，MAC將放棄沖突檢測機 制而轉向多用戶機制。

　　4.實際的性能評估

　　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果：

　　(1)在未來系統(tǒng)的設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)相關的關鍵參數(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際性能。

　　五、小結

　　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。本文采用智能天線與MIMO系統(tǒng)結合，給出了多輸入多輸出智能天線收發(fā)機空時信號處理方案，討論了智能天線的優(yōu)點和 未來智能天線的發(fā)展趨勢同時也闡述了設計中會遇到的問題?？傊?，合理地使用智能天線技術將大大地提高未來移動通信系統(tǒng)的性能。