4G中的MIMO智能天線(xiàn)技術(shù)

　　一、引言

　　智能天線(xiàn)通常也稱(chēng)作自適應天線(xiàn)陣列，可以形成特定的天線(xiàn)波束，實(shí)現定向發(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(xiàn)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，這是它與傳統分集技術(shù)的本質(zhì)區別。

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

　　智能天線(xiàn)系統在移動(dòng)通信鏈路的發(fā)射端/或接收端帶有多根天線(xiàn)，根據信號處理位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線(xiàn)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(xiàn)收發(fā)機結構及研究進(jìn)展

　　從圖1可以看出，比特流在經(jīng)過(guò)編碼、調制和空時(shí)處理(波束成行或空時(shí)編碼)后，映射成不同的信息符號，從多個(gè)天線(xiàn)同時(shí)發(fā)射出去;在接收端用多個(gè)天線(xiàn)接收，進(jìn)行相應解調、解碼及空時(shí)處理。

　　圖1　多輸入多輸出智能天線(xiàn)收發(fā)機結構

　　MIMO 系統中的空時(shí)處理技術(shù)主要包括波束成形(beamforming)、空時(shí)編碼(space-time coding)、空間復用(space multiplexing)等。波束成形是智能天線(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將主要能量對準期望用戶(hù)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 成行權值的確定。

　　1.MIMO系統的發(fā)射方案

　　MIMO系統的發(fā)射方案主要分為兩種類(lèi)型： 最大化數據率的發(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(shí)編碼STC)。最大化數據率發(fā)射方案主要通過(guò)在不同天線(xiàn)發(fā)射相互獨立的信號實(shí) 現空間復用?？諘r(shí)編碼的方案是指在發(fā)射端對數據流進(jìn)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(guò)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(shí)編碼方案不能提高數據率。

　　(1)空時(shí)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(lài)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(guò)信道估計可以獲得，然后，通過(guò)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(shí)編碼或者采用空間復用增益來(lái)利用空間維數?？諘r(shí)編碼主要分為空時(shí)格碼和空時(shí)塊碼。接收到的信號通過(guò)最大似然 (ML，Maximum Likelihood)譯碼器進(jìn)行檢測。最早的空時(shí)編碼是空時(shí)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(xiàn)的數目，提供的編碼增益取決于碼字的復雜度而無(wú)需犧牲帶寬效 率?？諘r(shí)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(méi)有編碼增益。又由于STBC在譯碼時(shí)只需要線(xiàn)性處理，因此，通常都使用STBC?？諘r(shí)編碼技術(shù)一般 假設CSI在接收端是完全已知的，當CSI在兩端都未知時(shí)，提出了酉空時(shí)編碼和差分空時(shí)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(jìn)行解碼。它能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，可犧牲一些數據率獲得更高的分集增益。

　　(3) 空間復用和空時(shí)編碼結合

　　將空間復用和空時(shí)編碼相結合，在保證每個(gè)數據流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數據率。目前，將空間復用和空時(shí)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。鏈接編碼方案是指在內部使用空時(shí)編碼，外部使用傳統的信道糾錯碼(TCM，卷積碼，RS 碼)的編碼方案[4]，這種方案既能提供分集增益，又能提高系統容量。因為信道間的相關(guān)性將影響多天線(xiàn)系統的頻譜效率，當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性 小時(shí)，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，當信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案。

　　2.MIMO的接收分集技術(shù)

　　MIMO 系統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(shí)處理算法(bell labs layered space-time，BLAST)。其中，迫零算法和MMSE算法是線(xiàn)性算法，而判決解碼算法，最大似然解碼算法和分層空時(shí)處理算法是非線(xiàn)性算法。在 SIMO或者M(jìn)IMO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(xiàn)性的，其復雜度與天線(xiàn)數目成指數關(guān)系(可以用線(xiàn)性譯碼器來(lái)代替， 但是性能會(huì )有所下降)。

　　ZF均衡器通過(guò)信道的逆可以消除符號間干擾ISI(InterSymbol Interference)，但是其代價(jià)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(jìn)行折衷?；谂袥Q反饋的一種次優(yōu)非線(xiàn)性機制 判決反饋均衡(DFE，Decision Feedback Equalizer)可以用于改善線(xiàn)性均衡器的性能，它通過(guò)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(xiàn)性均衡可以擴展到MIMO 信道中，與MIMO接收機相關(guān)的問(wèn)題就是多流干擾(MSI，Multistream)的存在。MSI會(huì )導致多個(gè)數據流之間的相互干擾。非線(xiàn)性連續抵消均衡 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象。

　　3.MIMO系統中的波束成形技術(shù)

　　(1) 特征波束成形

　　MIMO系統的系統模型為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(guò)發(fā)射端的特征波束成形和接收端的線(xiàn)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(hù)的環(huán)境下，可以采用隨機波束成形方法實(shí)現多用戶(hù)分集。

　　(2) 波束成形與空時(shí)編碼結合

　　大多數情況下，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(shí)編碼和波束成形相結合的混合機制?？諘r(shí)編碼和波束成形是 兩種不同的發(fā)送分集技術(shù)?？諘r(shí)編碼屬于開(kāi)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 道反饋的準確性會(huì )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(shí)(如信道均值或信道協(xié)方差矩陣)，可以根據信道信息選擇發(fā)射策略(波束成形或空 時(shí)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(shí) 編碼對發(fā)射機進(jìn)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，提供了比傳統空時(shí)編碼更好的性能。

　　總之，描述多入多出智能天線(xiàn)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這些準則進(jìn)行優(yōu)化的。設計它的收發(fā)機要特別關(guān)注以下4個(gè)關(guān)鍵參數：(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(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)

　　在 移動(dòng)通信系統中，多徑及多徑時(shí)延擴展是移動(dòng)通信中存在的主要問(wèn)題。多徑傳播將導致信號嚴重衰落，時(shí)延擴展導致符號間干擾，這將會(huì )嚴重地影響通信鏈路的質(zhì) 量。同時(shí)，共信道干擾是移動(dòng)通信系統容量的主要限制因素，它將影響用戶(hù)對有效網(wǎng)絡(luò )資源(頻率、時(shí)間)的復用。智能天線(xiàn)通過(guò)利用多徑可改善鏈路的質(zhì)量，通過(guò) 減小相互干擾來(lái)增加系統容量，并且允許不同的天線(xiàn)發(fā)射不同的數據?？傊?，智能天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：

　　(1)增加覆蓋范圍

　　在接收端天線(xiàn)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(xiàn)的數目成正比。

　　(2)降低功率/減小成本

　　智能天線(xiàn)對特定用戶(hù)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(shí)間分集、頻率分集、碼分集和空間分集等。當用智能天線(xiàn)對空間域進(jìn)行抽樣時(shí)就會(huì )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等于發(fā)射天線(xiàn)數目和接收天線(xiàn)數目的乘積。多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)通過(guò)采用特殊的調制和編碼機制就可以產(chǎn)生發(fā)射分集，而多個(gè)接收 天線(xiàn)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(guò)不同方法精確地控制發(fā)射功率會(huì )減小同道干擾，從而增加使用同樣資源的用戶(hù)數 目。通過(guò)波束成形實(shí)現空分多址(SDMA)可以實(shí)現資源的復用，從而增加數據速率和頻譜效率。該增益也被稱(chēng)為空間復用增益。MIMO系統中利用多個(gè)獨立的 空間維數來(lái)同時(shí)傳送數據，在不相關(guān)瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發(fā)天線(xiàn)數目的最小值成正比。

　　通常設計智能天線(xiàn)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(diǎn)。

　　四、未來(lái)移動(dòng)通信系統中的智能天線(xiàn)技術(shù)

　　未來(lái)移動(dòng)通信系統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(lái)智能天線(xiàn)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(dòng)通信通信收發(fā)機可以工作在多參數連續改變的環(huán)境中，需要在收發(fā)機中采用可重新配置的自適應技術(shù)來(lái)調節結構，從而獲得最好的性能。智能天線(xiàn)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(kāi)放系統互連)模型定義的高層之間的相互作用可以提高整個(gè)系統的性能。通過(guò)結合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層的參數設計智能天 線(xiàn)，即考慮到各層之間相互關(guān)系來(lái)設計，而不是單獨考慮某一層。實(shí)踐表明，單獨考慮一層的設計方法性能評估是低效的。例如，當引入調度后，通過(guò)空時(shí)編碼所得 到的增益將會(huì )減小，甚至會(huì )消失。

　　OSI不同層之間交換的信息可以歸類(lèi)如下：(1)CSI：需要估計出信道脈沖響應、定位信息、車(chē)載速度、信 號強度、干擾強度、干擾模型等。(2)QoS相關(guān)的參數：包括時(shí)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(xiàn)陣列的數目、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(shí)際系統 中，智能天線(xiàn)的鏈路質(zhì)量不僅取決于采用的數據檢測方法，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(shí)應該綜合考慮上述因素，而不是單獨考慮某一個(gè)因素。對于時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)，將智能天線(xiàn) 技術(shù)如V-BLAST同混合自動(dòng)請求重復(H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)機制結合。

　　3.多用戶(hù)分集

　　在 多用戶(hù)通信中，一種叫做機會(huì )機制的通信方式得到了人們的重視。其基本思想是通過(guò)把信道分配給那些最有可能完成連續傳輸的用戶(hù)來(lái)復用。這樣可以使系統的吞吐 量最大化。對于反射空間信道，機會(huì )波束成形方法會(huì )指向具有最高SNR的用戶(hù);另一方面，在充分散射情況下，機會(huì )機制會(huì )把信道分配給那些具有最高瞬時(shí)容量的 用戶(hù)。機會(huì )機制可以產(chǎn)生多用戶(hù)分集，多用戶(hù)分集可以是碼分集、時(shí)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(hù)機制。

　　4.實(shí)際的性能評估

　　在未來(lái)移動(dòng)通信系統中，采用智能天線(xiàn)主要依賴(lài)兩種研究的結果：

　　(1)在未來(lái)系統的設計階段就要考慮到智能天線(xiàn)和移動(dòng)通信環(huán)境的特性，如傳播特性、天線(xiàn)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)根據與未來(lái)系統相關(guān)的關(guān)鍵參數，通過(guò)鏈路級仿真和系統級仿真的優(yōu)化折衷來(lái)評估智能天線(xiàn)的實(shí)際性能。

　　五、小結

　　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。本文采用智能天線(xiàn)與MIMO系統結合，給出了多輸入多輸出智能天線(xiàn)收發(fā)機空時(shí)信號處理方案，討論了智能天線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)和 未來(lái)智能天線(xiàn)的發(fā)展趨勢同時(shí)也闡述了設計中會(huì )遇到的問(wèn)題?？傊?，合理地使用智能天線(xiàn)技術(shù)將大大地提高未來(lái)移動(dòng)通信系統的性能。