多天線(xiàn)技術(shù)應用于第四代移動(dòng)通信系統

一、引言

由于第三代移動(dòng)通信系統（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(wù)速率的動(dòng)態(tài)范圍不大，不能滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)類(lèi)型要求，以及分配給3G系統的頻率資源已經(jīng)趨于飽和等，于是人們提出了第四代移動(dòng)通信系統（4G）的構想。4G的關(guān)鍵技術(shù)包括：

（1）調制和信號傳輸技術(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(wú)線(xiàn)電技術(shù)；
（5）MIMO和智能天線(xiàn)技術(shù)；
（6）基于公共IP網(wǎng)的開(kāi)放結構。

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

二、智能天線(xiàn)技術(shù)

智能天線(xiàn)最初用于雷達、聲納及軍事通信領(lǐng)域。使用智能天線(xiàn)可以在不顯著(zhù)增加系統復雜程度的情況下滿(mǎn)足服務(wù)質(zhì)量和擴充容量的需要。

1.基本原理和結構

智能天線(xiàn)利用數字信號處理技術(shù)，采用先進(jìn)的波束轉換技術(shù)（switched beam technology）和自適應空間數字處理技術(shù)（adaptive spatial digital processing technology），判斷有用信號到達方向（DOA）通過(guò)選擇適當的合并權值，在此方向上形成天線(xiàn)主波束，同時(shí)將低增益旁瓣或零陷對準干擾信號方向。在發(fā)射時(shí)，能使期望用戶(hù)的接收信號功率最大化，同時(shí)使窄波束照射范圍外的非期望用戶(hù)受到的干擾最小，甚至為零。

智能天線(xiàn)引入空分多址（SDMA）方式。在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，用戶(hù)仍可以根據信號空間傳播路徑的不同而區分。實(shí)際應用中，天線(xiàn)陣多采用均勻線(xiàn)陣或均勻圓陣。智能天線(xiàn)系統由天線(xiàn)陣；波束成形成網(wǎng)絡(luò )；自適應算法控制三部分組成（見(jiàn)圖1）。

圖1　典型的智能天線(xiàn)系統

2.智能天線(xiàn)的分類(lèi)

智能天線(xiàn)主要分為波束轉換智能天線(xiàn)（switched beam antenna）和自適應陣列智能天線(xiàn)（adaptive array antenna）。

（1）波束轉換智能天線(xiàn)

波束轉換智能天線(xiàn)具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，它利用多個(gè)并行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個(gè)用戶(hù)區，每個(gè)波束的指向是固定的，波束寬度也隨天線(xiàn)元的數目而確定（見(jiàn)圖2）。波束轉換系統實(shí)現比較經(jīng)濟，與自適應天線(xiàn)相比結構簡(jiǎn)單，無(wú)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性能。

圖2　波束轉換智能天線(xiàn)

　?。?）自適應陣列智能天線(xiàn)

自適應陣列智能天線(xiàn)實(shí)時(shí)地對用戶(hù)到達方向（DOA）進(jìn)行估計，在此方向上形成主波束，同時(shí)使旁瓣或零陷對準干擾方向。自適應天線(xiàn)陣列一般采用4～16天線(xiàn)陣元結構，陣元間距為1/2波長(cháng)（若陣元間距過(guò)大會(huì )使接收信號彼此相關(guān)程度降低，太小則會(huì )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(xiàn)與波束轉換智能天線(xiàn)進(jìn)行了比較。

圖3　自適應陣列智能天線(xiàn)（a）與束轉換智能天線(xiàn)（b）的比較

　　3.智能天線(xiàn)的自適應波束成形技術(shù)

智能天線(xiàn)技術(shù)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(jìn)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，或者直接根據某一準則自適應地調整權值（即算法模型的抽頭系數）。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；而自適應調整則采取最優(yōu)化方法，最常見(jiàn)的是最陡梯度下降法。

盲算法無(wú)須參考信號或導頻信號，它充分利用調制信號本身固有的、與具體承載信息比特無(wú)關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò )、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩等）來(lái)調整權值，以使輸出誤差盡量小。常見(jiàn)的算法有常數模算法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(jìn)行跟蹤和調整。

波束賦形的目標是根據系統性能指標，形成對基帶信號的最佳組合與分配。軟件無(wú)線(xiàn)電系統采用數安波束形成DBF(Digital bind form)。實(shí)現智能天線(xiàn)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)行加權處理后，形成陣列輸出，使天線(xiàn)方向圖主瓣對準用戶(hù)信號到方向，天線(xiàn)陣列各陣元均參與自適應調整；波束空間處理方式包含兩級處理過(guò)程，第一級對各陣元信號進(jìn)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(jìn)行自適應加權調整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權系數，而是只對部分陣元作自適應處理，其特點(diǎn)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(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)及應用

智能天線(xiàn)能夠獲得更大的天線(xiàn)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(hù)的干擾；增加頻譜效率和信道容量；動(dòng)態(tài)信道分配；實(shí)現移動(dòng)臺定位；提高通信安全性。

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

三、MIMO技術(shù)

移動(dòng)通信環(huán)境中存在多個(gè)散射體、反射體，在無(wú)線(xiàn)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(shí)現接收端的信號分離。多輸入一多輸出（MIMO）技術(shù)在通信鏈路兩端均使用多個(gè)天線(xiàn)，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(guò)不同的發(fā)射天線(xiàn)陣元同頻、同時(shí)發(fā)送，接收方則利用多徑引起的多個(gè)接收天線(xiàn)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(jiàn)圖4）這相當于頻帶資源重復利用，可以在原有的頻帶內實(shí)現高速率的信息傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。MIMO系統提供分集增益（diversity gain）和復用增益（multiplexing gain）。

圖4　MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸系統

　　1.分集增益

MIMO系統中發(fā)射端和接收端結合，得到一個(gè)大的分集階數（diversity order）。假設發(fā)射天線(xiàn)MT，接收天線(xiàn)數MR，最大鏈路數為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(gè)數據通道共用一個(gè)頻率帶寬，從而使信道容量線(xiàn)性（與天線(xiàn)數成正比）增加，而不需要額外帶寬或功率消耗。

輸入數據流經(jīng)過(guò)串并變換后形成MT路較低速率的數據流，并在同一時(shí)刻經(jīng)過(guò)相同的頻帶從MT根發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射出去。由于多徑傳播，每根接收天線(xiàn)所觀(guān)察到的是所有發(fā)射信號的疊加，而每根發(fā)射天線(xiàn)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據流，并將它們合并恢復出原始信號（見(jiàn)圖5）。為獲得復用增益所付出的代價(jià)是使用天線(xiàn)而帶來(lái)的系統硬件復雜度和成本的增加。常見(jiàn)的幾種線(xiàn)性和非線(xiàn)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

　　3.MIMO與空時(shí)編碼

與MIMO技術(shù)密切相關(guān)的另一種技術(shù)是空時(shí)碼，空時(shí)碼是適合于多天線(xiàn)陣信道的一種編碼方案。它綜合了空間分集和時(shí)間分集的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提供分集增益和編碼增益?，F有的研究表明，空時(shí)碼能夠獲得遠遠高于傳統單天線(xiàn)系統的頻帶利用率。按照空時(shí)碼適用信道環(huán)境的不同，可以將已有的空時(shí)編碼分成兩大類(lèi)：一類(lèi)要求接收端能夠準確地估計信道特性，如分層空時(shí)碼、網(wǎng)格空時(shí)碼和分組空時(shí)碼；另一類(lèi)不要求接收端進(jìn)行信道估計，如酉空時(shí)碼和差分空時(shí)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(shí)OFDM將總帶寬分割為若干個(gè)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系統既有很高的傳輸效率，又通過(guò)分集達到很強的可靠性，從而成為第四代移動(dòng)通信系統的研究熱點(diǎn)。

四、結束語(yǔ)

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