第四代移動通信系統(tǒng)中的多天線技術(shù)

　　3.智能天線的自適應(yīng)波束成形技術(shù)

　　智能天線技術(shù)研究的核心是自適應(yīng)算法，可分為盲算法、半盲算法和非盲算法。

　　非盲算法需借助參考信號，對接收到的預(yù)先知道的參考信號進(jìn)行處理可以確定出信道響應(yīng)，再按一定準(zhǔn)則（如迫零準(zhǔn)則）確定各加權(quán)值，或者直接根據(jù)某一準(zhǔn)則自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值（即算法模型的抽頭系數(shù)）。常用的準(zhǔn)則有最小均方誤差MMSE(Minimum mean square error)、最小均方LMS(Least mean square)和遞歸最小二乘等；而自適應(yīng)調(diào)整則采取最優(yōu)化方法，最常見的是最陡梯度下降法。

　　盲算法無須參考信號或?qū)ьl信號，它充分利用調(diào)制信號本身固有的、與具體承載信息比特?zé)o關(guān)的一些特征（如恒包絡(luò)、子空間、有限符號集、循環(huán)平穩(wěn)等）來調(diào)整權(quán)值，以使輸出誤差盡量小。常見的算法有常數(shù)模算法CMA(Constant module arithmetic)、子空間算法、判決反饋算法等。

　　非盲算法相對盲算法而言，通常誤差較小，收斂速度也較快，但發(fā)送參考信號浪費(fèi)了一定的系統(tǒng)帶寬。為此，又發(fā)展了半盲算法，即先用非盲算法確定初始權(quán)值，再用盲算法進(jìn)行跟蹤和調(diào)整。

　　波束賦形的目標(biāo)是根據(jù)系統(tǒng)性能指標(biāo)，形成對基帶信號的最佳組合與分配。軟件無線電系統(tǒng)采用數(shù)安波束形成DBF(Digital bind form)。實(shí)現(xiàn)智能天線波束形成的方式有兩種：陣元空間處理方式和波束空間處理方式。陣元空間處理方式直接對各陣元按接收信號采樣并進(jìn)行加權(quán)處理后，形成陣列輸出，使天線方向圖主瓣對準(zhǔn)用戶信號到方向，天線陣列各陣元均參與自適應(yīng)調(diào)整；波束空間處理方式包含兩級處理過程，第一級對各陣元信號進(jìn)行固定加權(quán)求和，形成指向不同方向的波速，第二級對一級輸出進(jìn)行自適應(yīng)加權(quán)調(diào)整并合成，此方案不是對全部陣元都從整體最優(yōu)計算加權(quán)系數(shù)，而是只對部分陣元作自適應(yīng)處理，其特點(diǎn)是計算量小，收斂快，并且有良好的波束保形性能。

　　4.智能天線的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

　　智能天線能夠獲得更大的天線覆蓋范圍；有效減少多徑衰落的影響，提高通信質(zhì)量，并能夠減少對其它用戶的干擾；增加頻譜效率和信道容量；動態(tài)信道分配；實(shí)現(xiàn)移動臺定位；提高通信安全性。

　　目前TD-SCDMA（時分同步碼分多址）是世界上惟一采用智能天線的第三代移動通信系統(tǒng)，國際上已經(jīng)把智能天線技術(shù)作B3G移動通信發(fā)展的主要方向之一。

　　三、MIMO技術(shù)

　　移動通信環(huán)境中存在多個散射體、反射體，在無線通信鏈路的發(fā)射與接收端存在多條傳播路徑，多徑傳播對通信的有效性與可靠性造成了嚴(yán)重的影響。研究表明，可以利用多徑引起的接收信號的某些空間特性實(shí)現(xiàn)接收端的信號分離。多輸入一多輸出（MIMO）技術(shù)在通信鏈路兩端均使用多個天線，發(fā)端將信源輸出的串行碼流轉(zhuǎn)成多路并行子碼流，分別通過不同的發(fā)射天線陣元同頻、同時發(fā)送，接收方則利用多徑引起的多個接收天線上信號的不相關(guān)性從混合信號中分離估計出原始子碼流（見圖4）這相當(dāng)于頻帶資源重復(fù)利用，可以在原有的頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)高速率的信息傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。MIMO系統(tǒng)提供分集增益（diversity gain）和復(fù)用增益（multiplexing gain）。

圖4　MIMO無線傳輸系統(tǒng)

　　1.分集增益

　　MIMO系統(tǒng)中發(fā)射端和接收端結(jié)合，得到一個大的分集階數(shù)（diversity order）。假設(shè)發(fā)射天線MT，接收天線數(shù)MR，最大鏈路數(shù)為MT×MR；如果所有這些鏈路具有相互獨(dú)立的衰落，則得到MT×MR階分集。

　　2.復(fù)用增益

　　空分復(fù)用利用傳播環(huán)境中豐富的多徑分量，多個數(shù)據(jù)通道共用一個頻率帶寬，從而使信道容量線性（與天線數(shù)成正比）增加，而不需要額外帶寬或功率消耗。

　　輸入數(shù)據(jù)流經(jīng)過串并變換后形成MT路較低速率的數(shù)據(jù)流，并在同一時刻經(jīng)過相同的頻帶從MT根發(fā)射天線發(fā)射出去。由于多徑傳播，每根接收天線所觀察到的是所有發(fā)射信號的疊加，而每根發(fā)射天線在接收端具有不同的空間信號，接端利用這些信號的差異分離出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流，并將它們合并恢復(fù)出原始信號（見圖5）。為獲得復(fù)用增益所付出的代價是使用天線而帶來的系統(tǒng)硬件復(fù)雜度和成本的增加。常見的幾種線性和非線性接收機(jī)有迫零接收機(jī)，V-BLAST接收機(jī)，最小均方誤差接收機(jī)和最大似然接收機(jī)等.

圖5　空分復(fù)用系統(tǒng)

　　3.MIMO與空時編碼

　　與MIMO技術(shù)密切相關(guān)的另一種技術(shù)是空時碼，空時碼是適合于多天線陣信道的一種編碼方案。它綜合了空間分集和時間分集的優(yōu)點(diǎn)，同時提供分集增益和編碼增益?，F(xiàn)有的研究表明，空時碼能夠獲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)的頻帶利用率。按照空時碼適用信道環(huán)境的不同，可以將已有的空時編碼分成兩大類：一類要求接收端能夠準(zhǔn)確地估計信道特性，如分層空時碼、網(wǎng)格空時碼和分組空時碼；另一類不要求接收端進(jìn)行信道估計，如酉空時碼和差分空時碼。

　　4.MIMO和OFDM

　　OFDM技術(shù)是一種特殊的多載波傳輸方案，其多載波之間相互正交，可以高效利用頻譜資源，同時OFDM將總帶寬分割為若干個窄帶子載波，可以有效抵抗頻率選擇性衰落。與MIMO相結(jié)合的MIMO-OFDM系統(tǒng)既有很高的傳輸效率，又通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性，從而成為第四代移動通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)。

　　四、結(jié)束語

　　傳統(tǒng)的智能天線終端只在發(fā)射端或接收端配備多個天線元，通常是在基站，因為額外的開銷和空間與在移動臺相比更容易得到滿足。與智能天線系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端都為多天線，其潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的智能天線，可以使無線鏈路的容量有驚人的提高。MIMO信道的可分離性依賴于豐富多徑的存在，使信道具有空間選擇性。也就是說MIMO充分利用了多徑。與之相反，一些智能天線在視距（LOS）或近似視距的情況下性能更好，也就是說在通過減少多徑分量來獲得好的工作性能；另一些基于分集的智能天線技術(shù)可以在非視距條件下表現(xiàn)的良好的性能，但它們也是在努力消除多徑而不是利用多徑。多天線系統(tǒng)憑借其在提高頻譜效率方面的卓越表現(xiàn)，在4G中將發(fā)揮重要的作用。