自適應多天線(xiàn)技術(shù)

　　多天線(xiàn)技術(shù)，是指在發(fā)送端或接收端都采用多根天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)技術(shù)可獲得功率增益、空間分集增益、空間復用增益、陣列增益和干擾抑制增益［1］，從而可以在不顯著(zhù)增加無(wú)線(xiàn)通信系統成本的同時(shí)，提高系統的覆蓋范圍、鏈路的穩定性和系統傳輸速率。多天線(xiàn)技術(shù)有不同的實(shí)現模式，如波束賦形［2］、循環(huán)延遲分集［3］，空間分集［4-6］、空間復用［7］，以及他們之間的結合。

　　1 多天線(xiàn)技術(shù)模式介紹

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

　?。?） 空間分集技術(shù)

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

　?。?） 空間復用技術(shù)

　　空間復用是在每根天線(xiàn)上的同一時(shí)頻資源上，發(fā)送不同信息，以達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中空間復用所示。通常人們將空間分集和空間復用技術(shù)稱(chēng)為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)。

　?。?） 波束賦形技術(shù)

　　波束賦形（BF）是基于自適應天線(xiàn)原理，利用天線(xiàn)陣列通過(guò)先進(jìn)的信號處理算法分別對各物理天線(xiàn)進(jìn)行加權處理的一種技術(shù)。如圖2所示，發(fā)射端對數據流S1進(jìn)行加權，并發(fā)送出去。在接收端看來(lái)，整個(gè)天線(xiàn)陣列相當于一根虛擬天線(xiàn)。通過(guò)加權處理后，天線(xiàn)陣列形成一個(gè)窄發(fā)射波束對準目標接收端，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(shí)刻只發(fā)射一個(gè)數據流，沒(méi)有復用增益。尤其是當信道質(zhì)量較好時(shí)，使用BF帶來(lái)的傳輸速率提升并不明顯。因此，為了進(jìn)一步提高系統傳輸速率，可將BF技術(shù)與MIMO結合起來(lái)［8-9］?？臻g分集與波束賦形的結合，稱(chēng)為空間分集波束賦形（SD＋BF）；而空間復用與波束賦形的結合，則稱(chēng)為復用波束賦形（SM＋BF）。其中的一種實(shí)現方案如圖3所示。發(fā)送端的4根物理天線(xiàn)被分成2個(gè)子陣列，在每個(gè)子陣列上利用波束賦形技術(shù)，形成一根虛擬天線(xiàn)或者波束，2個(gè)波束間構成空間分集或者空間復用。

　?。?） 循環(huán)延遲分集技術(shù)

　　循環(huán)延遲分集（CDD）是正交頻分復用（OFDM）［10］技術(shù)中常用的一種多天線(xiàn)發(fā)送分集方案，他在各個(gè)物理天線(xiàn)上發(fā)送相同的頻域數據，并對時(shí)域的 OFDM符號進(jìn)行不同的循環(huán)延遲，以此來(lái)獲得頻域分集增益。其發(fā)送端如圖4所示，時(shí)域數據流S1在各物理天線(xiàn)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(guò)CDD處理后，整個(gè)天線(xiàn)陣列在接收端看來(lái)，也相當于一根虛擬天線(xiàn)。

　?。?） CDD +MIMO 技術(shù)

　　由于CDD技術(shù)在同一時(shí)刻只發(fā)射一個(gè)數據流，當信道條件比較好時(shí)，可以跟MIMO技術(shù)相結合來(lái)提升傳輸速率［11-12］?？臻g分集與循環(huán)延遲分集的結合，稱(chēng)為空間分集循環(huán)延遲分集（SD＋CDD）；而空間復用與循環(huán)延遲分集的結合，稱(chēng)為空間復用循環(huán)延遲分集（SM＋CDD）。其中的一種實(shí)現方案如圖5 所示，發(fā)送端的4根物理天線(xiàn)被分成2個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列做CDD處理，形成一根虛擬天線(xiàn)。

　　　2 多天線(xiàn)技術(shù)比較

　?。?） 數據發(fā)送格式

　　每種多天線(xiàn)技術(shù)模式在每根物理 天線(xiàn)上發(fā)送的數據是不一樣的。以IEEE 802.16e［4］ 4天線(xiàn)為例，在兩個(gè)相鄰的符號內，并在同一個(gè)數據子載波上，每根物理天線(xiàn)發(fā)送的頻域數據流如表1所示?？臻g復用使用的是BLAST編碼［7］；空間分集使用的是Alamouti編碼，他在兩個(gè)正交頻分多址（OFDMA）符號間引入冗余。第i 根發(fā)送天線(xiàn)上第k個(gè)數據子載波對應的BF權值為wi（k）， i =1，2，3，4。另外，對時(shí)域數據進(jìn)行的循環(huán)延遲，等價(jià)于頻域數據乘以一個(gè)相位旋轉

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

　?。?） 特點(diǎn)

　　一般情況下，BF、SD＋BF、SM＋BF需要根據信道狀態(tài)信息動(dòng)態(tài)調整權值，屬于閉環(huán)技術(shù)，需要對導頻進(jìn)行波束賦形，所以必須支持專(zhuān)用導頻；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(kāi)環(huán)技術(shù)。SM＋BF、SM＋CDD在不同的虛擬天線(xiàn)上可以發(fā)送不同的數據流，在信道條件比較好的情況下，能提升系統的傳輸能力，滿(mǎn)足用戶(hù)高速率傳輸數據的需求；而B(niǎo)F、SD＋BF、CDD、SD＋CDD主要依靠在空間維引入冗余以達到分集增益，進(jìn)而增加鏈路的穩定性和覆蓋范圍。另外，SD＋BF、SD＋CDD 每個(gè)虛擬天線(xiàn)可以發(fā)送一個(gè)數據流，并在時(shí)域或頻域引入冗余以獲得空間分集增益，平均1個(gè)時(shí)刻只發(fā)1個(gè)數據流；BF、CDD每個(gè)時(shí)刻只有1個(gè)數據流，更適合信道相關(guān)性高的場(chǎng)景，實(shí)現簡(jiǎn)單，對用戶(hù)透明，且不要求支持MIMO技術(shù)。在所有這些多天線(xiàn)技術(shù)模式中，比較常見(jiàn)的天線(xiàn)配置是發(fā)送端共有4根或者8根天線(xiàn)，而接收端只有1～2根天線(xiàn)。以上這些特點(diǎn)的總結如表2中所示。

　?。?） 影響因素

　　CDD、SD＋CDD、SM＋CDD靠人為引入信道多徑時(shí)延來(lái)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B(niǎo)F、SD＋BF、 SM＋BF則需要估算波束賦形的權值，并要求用戶(hù)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(huì )在很大程度上受權值估計的準確性和及時(shí)性影響。表3總結適合各種多天線(xiàn)技術(shù)模式的應用場(chǎng)景［13］。

　　3 自適應模式切換

　　每種多天線(xiàn)技術(shù)模式都有其特點(diǎn)和應用場(chǎng)景。實(shí)際通信時(shí)，由于用戶(hù)的物理位置、信道環(huán)境、移動(dòng)速度、業(yè)務(wù)類(lèi)型等存在著(zhù)很大的差異，單獨使用哪種技術(shù)都不能最佳地發(fā)揮系統的性能。無(wú)線(xiàn)通信系統需要在不同的模式間自適應地切換，以適應信道環(huán)境等因素的改變，從而最大限度地提升系統的性能，滿(mǎn)足用戶(hù)高質(zhì)量的通信要求［14］。

　　實(shí)際應用中，實(shí)現各種多天線(xiàn)技術(shù)模式的自適應切換是一個(gè)充滿(mǎn)挑戰的工作。首先，影響多天線(xiàn)技術(shù)模式性能的因素有很多［15］。所以算法設計時(shí)，需要對這些影響因素進(jìn)行深入分析和研究，并根據情況設計不同的算法以滿(mǎn)足系統配置、信道條件、業(yè)務(wù)類(lèi)型等多樣性要求。

　　其次，模式切換的類(lèi)型很多。我們在對多天線(xiàn)技術(shù)的性質(zhì)進(jìn)行深入分析和大量仿真的基礎上，將切換類(lèi)型分成3類(lèi)：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。

　　根據接收端的移動(dòng)速度或者相鄰兩個(gè)權值的相關(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據發(fā)送模式；如果選擇了CDD相關(guān)技術(shù)，則需要計算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據發(fā)送模式。

　　4 結束語(yǔ)

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

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