4G通信中的MIMO智能天線技術(shù)

1、4G通信中的MIMO能天線技術(shù)智能天線通常也稱作自適應(yīng)天線陣列，可以形成特定的天線波束，實(shí)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(guān)系，即利用了信號(hào)的相位關(guān)系克服多址干擾及多徑干擾， 這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。MIMOK統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端同時(shí)使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)，其有效地利用 隨機(jī)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(hào)處理，即利用在空間中分布的多個(gè)時(shí)間域和空間域結(jié)合進(jìn)行信號(hào)處理。 因此，可以被看作是智能天線的擴(kuò)展。智能天線系統(tǒng)在移動(dòng)通信鏈路的發(fā)射端/或接收端帶有多根天線，根據(jù)信號(hào)處理 位于通信

2、鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術(shù)被定義為多入單出(MISQMultipleInputSingleOutput )、單入多出(SIMQ Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMQ Multiple Input Multiple Output )等幾種方、多入多出智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)及研究進(jìn)展 從圖1可以看出，比特流在經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)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(hào)，從多個(gè)天線同時(shí)發(fā)射出去；在接收端用多個(gè) 天線接收，進(jìn)行相應(yīng)解調(diào)、解碼及空時(shí)處理。圖1多輸入多輸出智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)MIMOK統(tǒng)中的空時(shí)處理技術(shù)主要包括波束成形(beamfo

3、rming) 空時(shí)編碼(space-timecoding )、空間復(fù)用(spacemultiplexing )等。波束成形是智能 天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過(guò)將主要能量對(duì)準(zhǔn)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(guān)鍵是波束成行權(quán)值的確定。.MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案MIMOC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(fù)用 SDM和最大化分集增益的發(fā)射方案(空時(shí)編碼 ST。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案 主要通過(guò)在不同天線發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用。空時(shí)編碼的方案是指 在發(fā)射端對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號(hào)錯(cuò)誤 率，它通過(guò)在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號(hào)的冗余

4、度，從而使信號(hào)在接收端獲得 分集增益，但空時(shí)編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。(1)空時(shí)編碼一些文獻(xiàn)中給出了大量的發(fā)射機(jī)制，這些機(jī)制分別可以使頻譜效率最大、速率最高、信噪比(SNR SignaltoNoise 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(guò)信道估計(jì)可以獲得，然后，通過(guò)反饋可以通知發(fā)射 端。對(duì)于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機(jī)制，可以引入空時(shí)編碼或者采用空間復(fù)用增益 來(lái)利用空間維數(shù)?？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(hào)通過(guò) 最大似然(ML MaximumLikelihood

5、 )譯碼器進(jìn)行檢測(cè)。最早的空時(shí)編碼是空時(shí) 格碼STTC (Space-TimeTrellisCode ),在這種方式下，接收端需要多維維特 比算法。STTCT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(fù)雜度而無(wú)需犧牲帶寬效率?？諘r(shí)分組編碼( STBC Space-Time Block Coda可以提供與STTCffi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)只需要線性處理，因此，通常都使用STBC空時(shí)編碼技術(shù)一般假設(shè)CSI在接收端是完全已知的，當(dāng) 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(fù)用空間復(fù)用是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，在

6、接收端用 ZF, MMSEML V-BLAST3等方法進(jìn)行解碼。它能最大化 MIM醞統(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(fù)用和空時(shí)編碼結(jié)合將空間復(fù)用和空時(shí)編碼相結(jié)合，在保證每個(gè)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(fù)用和空時(shí) 編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應(yīng)MIM醞統(tǒng)。鏈接編碼方案是指在內(nèi)部使用空時(shí)編碼，外部使用傳統(tǒng)的信道糾錯(cuò)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?yàn)樾诺篱g的相關(guān)性將影響多天線系統(tǒng)的頻譜效率，當(dāng)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

7、復(fù)用的發(fā)射方案，當(dāng)信道問(wèn)相關(guān)性大 時(shí)，米用空時(shí)編碼的發(fā)射方案。.MIMO的接收分集技術(shù)MIM蹤統(tǒng)在接收端的解碼算法主要有 ZF算法、MMS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(belllabslayere.MIMO系統(tǒng)中的波束成形技術(shù)(1)特征波束成形MIMOS統(tǒng)的系統(tǒng)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性 處理，可將MIMOJ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(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集。(2)波束成形與空時(shí)編碼結(jié)合大多數(shù)情況下，假設(shè)CSI的部分信息

8、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(jié)合的混合機(jī)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(zhǔn)確性會(huì)嚴(yán)重影響波束成形的效果。當(dāng)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(jù)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(quán)值在保證接收端達(dá)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(xiàn) 67中指出結(jié)合 功率分配，波束成形和空時(shí)編碼對(duì)發(fā)射機(jī)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，在不增加設(shè)備復(fù)雜度 和損失發(fā)射速率的條件下，提供了比

9、傳統(tǒng)空時(shí)編碼更好的性能?？傊?，描述多入多出智能天線收發(fā)機(jī)特征的性能度量為均方誤差（ MSEMeanSquareError）、SNR 誤比特率（BER BitError Rate ）、可達(dá)吞吐量、 需要的發(fā)射功率和信道容量。發(fā)射和接收機(jī)制都是根據(jù)這些準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化的。設(shè)計(jì)它的收發(fā)機(jī)要特別關(guān)注以下 4個(gè)關(guān)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(hào)的特征（調(diào)制、復(fù)用和訓(xùn)練信息）；（3）要優(yōu)化的性 能度量；（4）計(jì)算復(fù)雜度的大小。三、智能天線的優(yōu)點(diǎn)在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多徑及多徑時(shí)延擴(kuò)展是移動(dòng)通信中存在的主要問(wèn)題。多徑 傳播將導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重衰落，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致符號(hào)問(wèn)干擾，這將會(huì)嚴(yán)重地影響通信

10、 鏈路的質(zhì)量。同時(shí)，共信道干擾是移動(dòng)通信系統(tǒng)容量的主要限制因素，它將影 響用戶對(duì)有效網(wǎng)絡(luò)資源（頻率、時(shí)間）的復(fù)用。智能天線通過(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(tǒng)容量，并且允許不同的天線發(fā)射不 同的數(shù)據(jù)。總之，智能天線的優(yōu)點(diǎn)可以歸納如下：（1）增加覆蓋范圍在接收端天線陣列對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干接收，可產(chǎn)生陣列或波束 成形增益，該增益與接收天線的數(shù)目成正比。（2）降低功率/減小成本智能天線對(duì)特定用戶的傳輸進(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(dāng)用智能天線對(duì)空間域進(jìn)行抽樣時(shí)就會(huì)產(chǎn)生空間分集

11、。在非頻 率選擇性衰落的MIMOJ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(gè)發(fā)射天線通過(guò)采用特殊的調(diào)制和編碼機(jī)制就可以產(chǎn)生發(fā)射 分集，而多個(gè)接收天線的接收分集取決于對(duì)獨(dú)立衰落信號(hào)的合并。（4）增加頻譜效率通過(guò)不同方法精確地通常設(shè)計(jì)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(fù)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(tǒng)中的智能天線技術(shù)未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)需要可以適用于各種通信環(huán)境的信號(hào)處理技術(shù)，因此，未來(lái) 智能天線設(shè)計(jì)的初始階段必須認(rèn)真地考慮在性能和復(fù)雜度之間折衷地優(yōu)化。.物理層的可重配置性 為了使移動(dòng)通信通信收發(fā)機(jī)可以工

12、作在多參數(shù)連續(xù)改變的環(huán)境中，需要在收發(fā) 機(jī)中采用可重新配置的自適應(yīng)技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，從而獲得最好的性能。智能大 線收發(fā)機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)的智能切 換。例如，文獻(xiàn)89提出了在MIMO道中用于空間分集和復(fù)用相互折衷的算 法。.不同層之間的優(yōu)化OSI (OpenSystemlnterconnection ,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(gè)系統(tǒng)的性能。通過(guò)結(jié)合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)設(shè) 計(jì)智能天線，即考慮到各層之間相互關(guān)系來(lái)設(shè)計(jì)，而不是單獨(dú)考慮某一層。實(shí) 踐表明，單獨(dú)考慮一層的設(shè)計(jì)方法性能評(píng)估是低效的。例如，當(dāng)引入調(diào)度后， 通過(guò)空時(shí)編碼所得到

13、的增益將會(huì)減小，甚至?xí)?。OSI不同層之間交換的信息可以歸類如下：(1) CSI:需要估計(jì)出信道脈沖響 應(yīng)、定位信息、車載速度、信號(hào)強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度、干擾模型等。(2) QoSffi關(guān)的參數(shù)：包括時(shí)延、吞吐量、誤比特率、分組差錯(cuò)率( PERPacketErrorRate )等。(3)物理層資源：包括空間處理機(jī)制、天線陣列的數(shù) 目、考慮層之間的優(yōu)化準(zhǔn)則是非常重要的。在實(shí)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(cè)方法，而且還取決于特定的編碼機(jī)制以及在鏈路層采 用的媒體接入控制(MAC MediumAccessControl)功能，還取決于高層采用的 協(xié)議棧性能。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合考

14、慮上述因素，而不是單獨(dú)考慮某一個(gè) 因素。對(duì)于時(shí)延不敏感業(yè)務(wù)，將智能天線技術(shù)如V-BLAST同混合自動(dòng)請(qǐng)求重復(fù)(H-ARQ HybridAutomatic Repeat Request )機(jī)制結(jié)合。.多用戶分集在多用戶通信中，一種叫做機(jī)會(huì)機(jī)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(xù)傳輸?shù)挠脩魜?lái)復(fù)用。這樣可以使 系統(tǒng)的吞吐量最大化。對(duì)于反射空間信道，機(jī)會(huì)波束成形方法會(huì)指向具有最高 SNR勺用戶；另一方面，在充分散射情況下，機(jī)會(huì)機(jī)制會(huì)把信道分配給那些具 有最高瞬時(shí)容量的用戶。機(jī)會(huì)機(jī)制可以產(chǎn)生多用戶分集，多用戶分集可以是碼 分集、時(shí)間分集、頻率分集或者空間分集的補(bǔ)充。但是影響MAC*議的設(shè)計(jì)，MA的放棄沖突檢測(cè)機(jī)制而轉(zhuǎn)向多用戶機(jī)制。.實(shí)際的性能評(píng)估在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用智能天線主要依賴兩種研究的結(jié)果：(1)在未來(lái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段就要考慮到智能天線和移動(dòng)通信環(huán)境的特性，如傳 播特性、天線陣列配置、業(yè)務(wù)模式、干擾情況、信號(hào)帶寬的有效性，從而保證 兼容性；(2)根據(jù)與未來(lái)系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)鏈路級(jí)仿真和系統(tǒng)級(jí)仿真