第四代移动通信系统中的多天线技术

【摘要】本文对第四代移动通信系统一（4G）中的多天线技术（MIMO和智能天线）进行了系统阐述。

【关键词】4G 智能天线　MIMO　多径　分集　频谱效率

一、引言

　　由于第三代移动通信系统（3G）还存在一些不足，包括很难达到较高的通信速率，提供服务速率的动态范围不大，不能满足各种业务类型要求，以及分配给3G系统的频率资源已经趋于饱和等，于是人们提出了第四代移动通信系统（4G）的构想。 4G的关键技术包括：

　　（1）调制和信号传输技术（OFDM）；

　　（2）先进的信道编码方式（Turbo码和LDPC）；

　　（3）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）；

　　（4）软件无线电技术；

　　（5）MIMO和智能天线技术；

　　（6）基于公共IP网的开放结构。

　　研究表明，在基于CDMA技术的3G中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。

二、智能天线技术

　　智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域。使用智能天线可以在不显著增加系统复杂程度的情况下满足服务质量和扩充容量的需要。

　　1.基本原理和结构

　　智能天线利用数字信号处理技术，采用先进的波束转换技术（switched beam technology）和自适应空间数字处理技术（adaptive spatial digital processing technology），判断有用信号到达方向（DOA）通过选择适当的合并权值，在此方向上形成天线主波束，同时将低增益旁瓣或零陷对准干扰信号方向。在发射时，能使期望用户的接收信号功率最大化，同时使窄波束照射范围外的非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。

　　智能天线引入空分多址（SDMA）方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，用户仍可以根据信号空间传播路径的不同而区分。实际应用中，天线阵多采用均匀线阵或均匀圆阵。智能天线系统由天线阵；波束成形成网络；自适应算法控制三部分组成（见图1）。

图1　典型的智能天线系统

　　2.智能天线的分类

　　智能天线主要分为波束转换智能天线（switched beam antenna）和自适应阵列智能天线（adaptive array antenna）。

　　（1）波束转换智能天线

　　波束转换智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，它利用多个并行窄波束（15°～30°水平波束宽度）覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元的数目而确定（见图2）。波束转换系统实现比较经济，与自适应天线相比结构简单，无需迭代，响应快、鲁棒性好。但预先设计好的工作模式有限，窄波束的特性将极大地影响系统性能。

图2　波束转换智能天线

　　（2）自适应阵列智能天线

　　自适应阵列智能天线实时地对用户到达方向（DOA）进行估计，在此方向上形成主波束，同时使旁瓣或零陷对准干扰方向。自适应天线阵列一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为1/2波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，可能放大噪声或干扰）。图3对自适应阵列智能天线与波束转换智能天线进行了比较。

图3　自适应阵列智能天线（a）与束转换智能天线（b）的比较

　　3.智能天线的自适应波束成形技术

　　智能天线技术研究的核心是自适应算法，可分为盲算法、半盲算法和非盲算法。

　　非盲算法需借助参考信号，对接收到的预先知道的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则（如迫零准则）确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值（即算法模型的抽头系数）。常用的准则有最小均方误差MMSE(Minimum mean square error)、最小均方LMS(Least mean square)和递归最小二乘等；而自适应调整则采取最优化方法，最常见的是最陡梯度下降法。

　　盲算法无须参考信号或导频信号，它充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征（如恒包络、子空间、有限符号集、循环平稳等）来调整权值，以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法CMA(Constant module arithmetic)、子空间算法、判决反馈算法等。

　　非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。为此，又发展了半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整。

　　波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳组合与分配。软件无线电系统采用数安波束形成DBF(Digital bind form)。实现智能天线波束形成的方式有两种：阵元空间处理方式和波束空间处理方式。阵元空间处理方式直接对各阵元按接收信号采样并进行加权处理后，形成阵列输出，使天线方向图主瓣对准用户信号到方向，天线阵列各阵元均参与自适应调整；波束空间处理方式包含两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成指向不同方向的波速，第二级对一级输出进行自适应加权调整并合成，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数，而是只对部分阵元作自适应处理，其特点是计算量小，收敛快，并且有良好的波束保形性能。

　　4.智能天线的优点及应用

　　智能天线能够获得更大的天线覆盖范围；有效减少多径衰落的影响，提高通信质量，并能够减少对其它用户的干扰；增加频谱效率和信道容量；动态信道分配；实现移动台定位；提高通信安全性。

　　目前TD-SCDMA（时分同步码分多址）是世界上惟一采用智能天线的第三代移动通信系统，国际上已经把智能天线技术作B3G移动通信发展的主要方向之一。

三、MIMO技术

　　移动通信环境中存在多个散射体、反射体，在无线通信链路的发射与接收端存在多条传播路径，多径传播对通信的有效性与可靠性造成了严重的影响。研究表明，可以利用多径引起的接收信号的某些空间特性实现接收端的信号分离。多输入一多输出（MIMO）技术在通信链路两端均使用多个天线，发端将信源输出的串行码流转成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线阵元同频、同时发送，接收方则利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离估计出原始子码流（见图4）这相当于频带资源重复利用，可以在原有的频带内实现高速率的信息传输，使频谱利用率和链路可靠性极大的提高。MIMO系统提供分集增益（diversity gain）和复用增益（multiplexing gain）。

图4　MIMO无线传输系统

　　1.分集增益

　　MIMO系统中发射端和接收端结合，得到一个大的分集阶数（diversity order）。假设发射天线MT，接收天线数MR，最大链路数为MT×MR；如果所有这些链路具有相互独立的衰落，则得到MT×MR阶分集。

　　2.复用增益

　　空分复用利用传播环境中丰富的多径分量，多个数据通道共用一个频率带宽，从而使信道容量线性（与天线数成正比）增加，而不需要额外带宽或功率消耗。

　　输入数据流经过串并变换后形成MT路较低速率的数据流，并在同一时刻经过相同的频带从MT根发射天线发射出去。由于多径传播，每根接收天线所观察到的是所有发射信号的叠加，而每根发射天线在接收端具有不同的空间信号，接端利用这些信号的差异分离出独立的数据流，并将它们合并恢复出原始信号（见图5）。为获得复用增益所付出的代价是使用天线而带来的系统硬件复杂度和成本的增加。常见的几种线性和非线性接收机有迫零接收机，V-BLAST接收机，最小均方误差接收机和最大似然接收机等。

图5　空分复用系统

　　3.MIMO与空时编码

　　与MIMO技术密切相关的另一种技术是空时码，空时码是适合于多天线阵信道的一种编码方案。它综合了空间分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益。现有的研究表明，空时码能够获得远远高于传统单天线系统的频带利用率。按照空时码适用信道环境的不同，可以将已有的空时编码分成两大类：一类要求接收端能够准确地估计信道特性，如分层空时码、网格空时码和分组空时码；另一类不要求接收端进行信道估计，如酉空时码和差分空时码。

　　4.MIMO和OFDM

　　OFDM技术是一种特殊的多载波传输方案，其多载波之间相互正交，可以高效利用频谱资源，同时OFDM将总带宽分割为若干个窄带子载波，可以有效抵抗频率选择性衰落。与MIMO相结合的MIMO-OFDM系统既有很高的传输效率，又通过分集达到很强的可靠性，从而成为第四代移动通信系统的研究热点。

四、结束语

　　传统的智能天线终端只在发射端或接收端配备多个天线元，通常是在基站，因为额外的开销和空间与在移动台相比更容易得到满足。与智能天线系统相比，MIMO系统在发射端和接收端都为多天线，其潜力远远超过了传统的智能天线，可以使无线链路的容量有惊人的提高。MIMO信道的可分离性依赖于丰富多径的存在，使信道具有空间选择性。也就是说MIMO充分利用了多径。与之相反，一些智能天线在视距（LOS）或近似视距的情况下性能更好，也就是说在通过减少多径分量来获得好的工作性能；另一些基于分集的智能天线技术可以在非视距条件下表现的良好的性能，但它们也是在努力消除多径而不是利用多径。多天线系统凭借其在提高频谱效率方面的卓越表现，在4G中将发挥重要的作用。