4G中的MIMO智能天線技術(shù)

智能天線通常也稱(chēng)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。

MIMO系統(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（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)

MIMO系統(tǒng)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-timecoding）、空間復(fù)用（space multiplexing）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(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(quán)值的確定。

1.MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案

MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類(lèi)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STC）。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?？諘r(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，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(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，Maximum Likelihood）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-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 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)只需要線性處理，因此，通常都使用STBC?？諘r(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(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)MIMO系統(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)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，當(dāng)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(tǒng)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)處理算法是非線性算法。在 SIMO或者M(jìn)IMO通信鏈路的接收端，接收機(jī)或者均衡器利用多徑信號(hào)重構(gòu)發(fā)射信號(hào)。在非頻率選擇SIMO信道下，最優(yōu)接收機(jī)制是最大比合并（MRC， Maximum Ratio Combining）；而對(duì)于頻率選擇SIMO信道，最優(yōu)接收機(jī)制是ML檢測(cè)，但它是非線性的，其復(fù)雜度與天線數(shù)目成指數(shù)關(guān)系（可以用線性譯碼器來(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(hào)間干擾ISI（InterSymbol Interference），但是其代價(jià)是對(duì)噪聲產(chǎn)生了放大。MMSE接收機(jī)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)非線性機(jī)制判決反饋均衡（DFE，Decision Feedback Equalizer）可以用于改善線性均衡器的性能，它通過(guò)反饋濾波器將以前符號(hào)產(chǎn)生的部分ISI從目前的符號(hào)中消除。ML和線性均衡可以擴(kuò)展到MIMO 信道中，與MIMO接收機(jī)相關(guān)的問(wèn)題就是多流干擾（MSI，Multistream）的存在。MSI會(huì)導(dǎo)致多個(gè)數(shù)據(jù)流之間的相互干擾。非線性連續(xù)抵消均衡器或者V-BLAST均衡器可以將MIMO信道轉(zhuǎn)換成一些并行  
信道，但是該機(jī)制可能存在差錯(cuò)傳播現(xiàn)象。 

3.MIMO系統(tǒng)中的波束成形技術(shù)

（1）特征波束成形MIMO系統(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(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)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(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(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)[6][7]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，提供了比傳統(tǒng)空時(shí)編碼更好的性能。

總之，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（MSE，Mean Square Error）、SNR、誤比特率（BER，Bit Error 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)間干擾，這將會(huì)嚴(yán)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(tǒng)容量的主要限制因素，它將影響用戶(hù)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)?？傊?，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(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(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。在非頻率選擇性衰落的MIMO信道中，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(shù)目。通過(guò)波束成形實(shí)現(xiàn)空分多址（SDMA）可以實(shí)現(xiàn)資源的復(fù)用，從而增加數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。該增益也被稱(chēng)為空間復(fù)用增益。MIMO系統(tǒng)中利用多個(gè)獨(dú)立的空間維數(shù)來(lái)同時(shí)傳送數(shù)據(jù)，在不相關(guān)瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發(fā)天線數(shù)目的最小值成正比。

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。 

1.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。智能天線收發(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)[8][9]提出了在MIMO信道中用于空間分集和復(fù)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(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)編碼所得到的增益將會(huì)減小，甚至?xí)А?

OSI不同層之間交換的信息可以歸類(lèi)如下：（1）CSI：需要估計(jì)出信道脈沖響應(yīng)、定位信息、車(chē)載速度、信號(hào)強(qiáng)度、干擾強(qiáng)度、干擾模型等。（2）QoS相關(guān)的參數(shù)：包括時(shí)延、吞吐量、誤比特率、分組差錯(cuò)率（PER，Packet Error Rate）等。（3）物理層資源：包括空間處理機(jī)制、天線陣列的數(shù)目、電池電量的損耗等。

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，Medium Access Control）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，Hybrid Automatic Repeat Request）機(jī)制結(jié)合。

3.多用戶(hù)分集

在多用戶(hù)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?hù)來(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的用戶(hù)；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(hù)。機(jī)會(huì)機(jī)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(bǔ)充。但是影響MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)，MAC將放棄沖突檢測(cè)機(jī)制而轉(zhuǎn)向多用戶(hù)機(jī)制。

4.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(lài)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)仿真的優(yōu)化折衷來(lái)評(píng)估智能天線的實(shí)際性能。

五、小結(jié)

在基于CDMA技術(shù)的3G中使用多天線技術(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(tǒng)容量。憑在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)， MIMO和智能天線成為4G發(fā)展中炙手可熱的課題。本文采用智能天線與MIMO系統(tǒng)結(jié)合，給出了多輸入多輸出智能天線收發(fā)機(jī)空時(shí)信號(hào)處理方案，討論了智能天線的優(yōu)點(diǎn)和未來(lái)智能天線的發(fā)展趨勢(shì)同時(shí)也闡述了設(shè)計(jì)中會(huì)遇到的問(wèn)題?？傊?，合理地使用智能天線技術(shù)將大大地提高未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的性能。