无线通信中的多天线技术

无线通信中的多天线技术

朱礼勇

南京熊猫汉达科技有限公司，南京，２１０００２

摘要本文介绍了无线通信中通常采用的三类多天线技术，即智能天线技术、分集技术、Ｍ１ＭＯ技术。首先阐述三类技术的基本原理并对其进行比较分析，而后介绍目前研究的热点及未来发展的趋势与面临的挑战。

关键词无线通信，智能天线，分集，ＭＩＭＯ

无线通信的一个突出的特点就是信号传播环境复杂，如何消除多址干扰（ＭＡ［）、码间串扰智能天线技术

在不同时间抵达接收机的多个信号路径所造成的时延散布和符号间干扰（ＩＳＩ）会对通信由众多的用户复用现有的网络资源（例如频率、时间）造成的。智能天线系统可以通过对抗多的天线发送不同的数据流来提高容量。智能天线的好处归纳如下：

增大距离／覆盖范围：由于天线单元接收信号的相干组合，天线阵或波束形成增益造成了较低的功率要求和降低成本：对指向目标用户的发送的优化（发射波束形成增益）达到了改善链路质量／可靠性：通过接收独立衰落信号分量的信号独立样本，获得了分集增益。衰落是高度随机的．至少有一个以上的信号分量不会是深度衰落的。基于这一事实，独立多维原理的使用降低了信号的有效起伏。当用智能天线在空阃域取样时，可以得到时间、频率、码和空间等形式的分集。一个非频率选择性衰落的多输人多输出信道的最大空间分集量级等于接收和发射天线数量的乘积。通过特定的调制编码制式，也可以利用具有多个发射天线的发射分集，而接收分集则要依靠独立多维衰落信号的合成。

提高频谱利用率：精确控制发射和接受功率，以及利用训练序列的知识和／或接收信号的２４６（ＩＳＩ）、同道干扰（ＣＣＩ）及多径衰落的影响，在有限的频谱资源上传输大容量、高速率的无线数据业务，是无线通信系统中亟待解决的问题。多天线技术为解决上述问题提供了一种新的思路，其作为一种能有效提高频谱利用率、增加系统容量、抵抗和抑制各种干扰的技术引起了广泛研究，被视为未来无线通信中的关键技术之一。ｌ１．１智能天线的优势链路质量产生重大影响．另一方面，同信道干扰也是限制无线系统容量的一个主要因素，它是径传输效应或建设性地利用不同的路径来改善链路质量，并且可通过减轻干扰和允许以不同信号功率的平均增加，其增加量与接收天线的数量成正比。降低功率消耗和放大器成本的作用。

其他特性（比如恒定包络、周期稳定性），使干扰减弱，并增加同一可用资源（比如时闯、频率、码）用户的数量，增加由同一个基站用户对这些资源的复用。

１．２智能天线技术面临挑战和发展趋势

目前智能天线面临的挑战主要有：智能天线和其他抗干扰技术的结合、波束赋形的速度问题、设备复杂性的考虑、共享下行信道及不连续发射、帧结构及有关物理层技术等。

在未来一代无线系统中采用智能天线技术，应要求智能天线特性成为系统设计不可分割的一部分，以便能提高频谱利用率，最大限度降低建设新无线网络的成本，提高服务质量，实现可重新配置的、强健和透明的跨越多技术无线网络操作等产生所期望的有益影响。为达到此目标，该领域未来的研究工作将集中于下列关键问题：

（１）设计和开发先进的智能天线处理算法，使其适应变化的传播和网络条件，具有对抗网络损伤的顽强性。

（２）为了优化系统性能，实现跨不同无线系统及平台的透明操作，开创新的智能天线开发和设计战略。

（３）在建立精确信道和干扰模型并引入合适的性能度量标准和模拟方法的基础上，对所建议的算法和战略进行实际性能的评估。

２分集技术

２．１分类与比较

分集技术是通过对同一个发射信号的不同副本进行综合接收，以此来减少信号在传输过程中可能产生的深度衰落的技术。从分集技术接收的副本所在的不同领域来说，可以分为４大类…，即时间分集、频率分集、角度分集和空间分集。

每一种分集技术在带来一定的分集增益的同时，也要付出一些资源的代价。时间分集以降低传输速率为代价，所以不适合高速通信情形和对延时敏感的业务。频率分集的代价是频谱利用率的降低和发射功率的增加，虽然可以使用扩频技术增加可用的带宽，但是在频谱日益紧张，可用频率已经成为一种稀缺资源的情况下，使用频率分集作为一种主要的分集方法也是不明智的。角度分集也是多天线分集的一种方式，不过它使用的是特殊的定向天线，角度分集面对的问题是由于天线阵不可能覆盖所有多径方向，因此必然会带来发射功率的损失，严重的情况甚至会带来性能的下降。从总体上说，空间分集是这几类分集技术中最佳的，它不产生功率的额外损失，或者以频率或者传输速率的牺牲为代价，它所需要付出的代价是增加设备的成本和复杂性。随着技术的发展，硬件和软件的成本是可以不断降低的，而其他的天然资源却是不可再生的。因此，从整体性能和发展趋势上看，空间分集具有其他几种分集技术的优势而避免了它们的劣势，在目前丽言是最为可取的。

２．２分集技术的发展趋势

从分集技术的发展看，随着多天线技术在通信中的应用，空间分集成为主要的分集技术，因为与时间和频率分集相比，它无需牺牲带宽和传输速率，而能够得到分集增益，较好对抗多２４７

径衰落拉Ｊ。多天线分集（空间分集）又分为发射分集和接收分集，相对来说接收分集的实现较为简单。在基站与移动终端通信中，基站对移动终端发射的多径信号实现接收分集是比较容易地，但是在移动终端一方，由于受体积、成本的限制，要对基站发射的信号实现接收分集是不太现实的。于是发射分集的技术就显得更加重要。在发射分集技术的研究中，也经过了从时间分集到空时编码的空问分集技术的演迸。采用空时编码的空间分集技术无需信道信息的反馈而且计算量比较小。在目前使用的多天线系统中，混合的分集技术——空间／时间分集以及空间／频率分集也是经常被使用的技术。对于空间分集来说，使用空时编码时不光要考虑分集增益（分集度）的最大化，还要考虑到分集度与空分多路（自由度）的最大化。总之，分集技术的研究重点趋向于空间分集技术的细化以及空间分集与其他分集技术乃至多路复用技术的结合。

３ＭＩＭＯ技术

多人多出技术由来已久，早在１９０８年马可尼就提出用它来抵抗信号的衰落。然而直到２０世纪９０年代才由贝尔实验室对此项技术做出重大推动作用。１９９５年Ｔｅｌａｄａｒ给出了衰落情况下的ＭＩＭＯ容量；１９９６年Ｆｏｓｃｈｉｎｉ给出了一种多人多出处理算法——对角一贝尔实验室分层空时（Ｄ—ＢＬＡＳＴ）算法Ｈ’；１９９８年Ｔａｒｏｋｈ等讨论了用于多人多出的空时码；１９９８年Ｗｏｌｎｉａｎｓｋｙ等人采用垂直一贝尔实验室分层空时（Ｖ—ＢＬＡＳＴ）算法建立了一个ＭＩＭＯ实验系统，在室内试验中达到了２０ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ以上的频谱利用率，这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意，并使得ＭＩＭＯ技术的研究工作得到了迅速发展。３．１ＭＩＭＯ工作原理

多人多出（ＭＩＭＯ）技术要求空间传播的信号在发射端和接收端都要使用这种技术【４ｊ。它是在不增加传输带宽的情况下，将要发射的信号通过不同的空间路径尽可能快的发送出去，进而提高系统的频谱利用率。理论研究已经证明，此技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率，是新一代无线通信系统采用的关键技术。这项技术突破了传统的理论认为多径信号是系统的干扰必须加以抑制的局限，使得多径信号变废为宝，是对通信理论的重大贡献。具体原理见图ｌ。实质上，这种技术是一种“空分复用”技术。

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围１ＭＩＭＯ系统框图

ＭＩＭＯ技术实质上是为系统提供空间复用增益和发射分集增益。目前针对ＭＩＭＯ信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。ＭＩＭＯ通信中，空时编码将数据分成多个数据子流在多个天线上同时发射，建立空间分离信号和时间分离信号之间的关系，通过在发射天线间的时域

引人编码冗余得到分集增益；空间复用则是将输人数据分成多个子流，每个子流从不同的天线发送出去，在同一频带上使用多个数据通道（ＭＩＭＯ子信道），从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。空间分集增益可以提高信道的可靠性。降低系统误码率；空间复用增益可以大大提高信道容量，而且不需要占用额外的带宽和发射功率。

３．２ＭＩＭＯ技术研究现状与趋势

（１）与正交频分复用（ＯＦＤＭ）技术的结合

许多研究人员认为，ＭＩＭＯ＋ＯＦＤＭ是未来的４Ｇ移动通信系统的主要核心技术。因为，单一的多人多出（ＭＩＭＯ）系统虽然在一定程度上可以利用多径信号分量，但是对于深频率选择性衰落依然无能为力。而单一的ＯＦＤＭ技术虽然通过相邻的彼此正交的子信道相互部分重叠的方法提高了频谱利用率，但是距离４Ｇ系统要求的极高频谱利用率仍有一定差距。而如果将两种技术实现有机结合，就可以在ＯＦＤＭ技术较高频谱利用率的基础上进一步利用空间资源，从而可以将频谱利用率迸一步提高。

（２）空时编码技术

目前，空时编码基本上有空时网格码（ＳＴｒＣ）、空时分组码（ＳＴＢＣ）和空时分层码（ＢＬＡＳＴ）。发射分集主要通过空时编码来实现。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码，实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。在延时发射分集的基础上，Ｔａｒｏｋｈ等提出了空时网格码，它具有卷积码的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起，在不增加带宽的情况下，可以同时获得满分集与高编码增益。它利用某种格形图，将同一信息从多副天线发射出去，在接收端采用基于欧式距离的Ｖｉｔｅｒｂｉ译码，其复杂度很高，且随传输速率呈指数增加，但是其性能较好，抗衰落能力强。随后伴随着空时分组码的发现。空时编码开始盛行，８０２．１６ｄ标准中采用两根发射天线的发射分集，主要依据的就是Ａｌａｍｏｕｔｉ方案中的正交空时码编码，该方案的关键之处是两根发射天线的两个序列之间的正交性。

空间复用是在发射端发射相互独立的信号，接收端用干扰抑制的方法解码，主要是为了提高系统的传输速率。空间复用的传输方案主要是分层空时码结构（ＢＬＡＳＴ）。ＢＬＡＳＴ不是通过信号变换（编码、调制、映射等）引入符号间的正交性，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性。ＢＬＡＳＴ结构主要分为垂直ＢＬＡＳＴ（Ｖ—ＢＬＡＳＴ）和对角ＢＬＡＳＴ（Ｄ—ＢＬＡＳＴ）。接收端的相关技术包括最大似然检测、最小均方误差、迫零、球形译码等。

（３）多用户ＭＩＭＯ研究

多用户ＭＩＭＯ与单用户ＭＩＭＯ的区别主要在于：在多用户ＭＩＭＯ系统中，用户组的数据占用相同的时频资源，即用户组的数据在相同的子载波上传输。因此，多用户ＭＩＭＯ能有效提高系统吞吐量。但是随之而来的问题是多用户ＭＩＭＯ系统中如何消除用户之间的共信道干扰。消除用户间干扰的最优的多用户ＭＩＭＯ方案是采用“脏纸理论”的预编码方案，该方案要求发送端完全已知各用户之间的干扰，然后通过脏纸理论的预编码方法完全消除用户之间的干扰。但是该方案复杂度极高，无法在实际系统中应用，如何设计有效地方案消除用户问干扰，有待进一步研究。

考虑实际网络的应用将引出很多与调度相关的问题。对于多用户ＭＩＭＯ下行系统的广播信道，当大量用户通过快速时变信道共享一个网络的时候，基站通过采用智能调度算法改进传输质量。一种方法就是利用多用户分集思想进行最大化调度。系统的多用户分集是假设各用２４９

户的信道衰落是不相关的，调度器便可根据各用户的瞬时信道质量来分配资源，获得多用户分集增益和更高的系统吞吐量。多用户分集的一种方式是在每个时隙里基站的全部发射天线都向最好的一个用户发送数据。

（４）移动终端的ＭＩＭＯ系统的研究

真正的ＭＩＭＯ系统要发挥它的优势必须在发射端和接收端同时使用ＭＩＭＯ技术。但是移动终端由于本身的几何尺寸和使用上的限制，使得ＭＩＭＯ技术在移动终端目前难以实现，因此今后必须对在移动终端如何使用ＭＩＭＯ技术进行深入研究。

结束语

多天线技术是一门综合性的学科，涉及到天线技术、无线电波传输技术、数字信号处理技术和信号检测等多门学科。未来的移动通信支持高速率、大容量的数据业务，而多天线技术中的智能天线和ＭＩＭＯ技术能够较大程度的提高频谱利用率，增大系统容量，提高传输速率和消除同频干扰、多址干扰等，是未来移动通信中的关键技术。多天线技术发展前景十分广阔，虽然目前在理论研究和应用上已取得了一些成果，但是距离多天线技术的理想情况还相差很远。今后需要研究和解决的问题还很多。

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