智能天線與MIMO

蔣新聰，曾銀生，陳鐵民，唐壽兵

(中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)湖南公司永州分公司，湖南永州425000)

智能天線技術(shù)是一種多天線技術(shù)，MIMO也是一種多天線技術(shù)，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸量的要求急劇增加，尤其是在下行鏈路，這種要求更加迫切，這兩種技術(shù)在現(xiàn)在及未來(lái)都是移動(dòng)通信研究的熱點(diǎn)，而且這兩種技術(shù)有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，對(duì)于目前使用了智能天線的移動(dòng)通信系統(tǒng)，為了技術(shù)發(fā)展的延續(xù)性及設(shè)備升級(jí)的兼容性，自然容易想到實(shí)現(xiàn)智能天線和MIMO技術(shù)的融合。本文將簡(jiǎn)要闡述智能天線技術(shù)與MIMO技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，并就在智能天線系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)的可能性進(jìn)行仿真分析，以吞吐量作為研究指標(biāo)，為二者的融合提供一定的量的參考。

1 智能天線與MIMO概述

智能天線通常被定義為一種安裝于移動(dòng)無(wú)線接入系統(tǒng)基站側(cè)的天線陣列，通過(guò)一組帶有可編程電子相位關(guān)系的固定天線單元，可以獲取基站和移動(dòng)臺(tái)之間各個(gè)鏈路的方向和信道特性。其原理是將無(wú)線電的信號(hào)導(dǎo)向具體的方向，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶(hù)信號(hào)到達(dá)方向DOA(Direction of Arrival)，副瓣或零陷對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)并消除或抑制干擾信號(hào)的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，智能天線技術(shù)利用各個(gè)移動(dòng)用戶(hù)間信號(hào)空間特征的差異，通過(guò)陣列天線技術(shù)在同一信道上接收和發(fā)射多個(gè)移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)而不發(fā)生相互干擾，在接收端通過(guò)波束賦形使得接收到總信號(hào)中，期望用戶(hù)信號(hào)的功率盡量最大化，同時(shí)削弱干擾用戶(hù)信號(hào)的功率;在發(fā)送端智能天線能使發(fā)往期望用戶(hù)的總信號(hào)中，來(lái)自其他干擾用戶(hù)的功率盡量地低，無(wú)線電頻譜的利用和信號(hào)的傳輸更為有效。

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，MIMO系統(tǒng)主要通過(guò)兩個(gè)方面提高系統(tǒng)性能，即空間復(fù)用增益和空間分集增益。在基于空間復(fù)用的MIMO系統(tǒng)中，多徑衰落提高了通信系統(tǒng)可以利用的自由度。若各個(gè)收發(fā)天線對(duì)之間路徑增益衰落是獨(dú)立的，這種情況下就構(gòu)建了多個(gè)并行的空間子信道，在這些子信道間發(fā)射不同的信息流，數(shù)據(jù)傳輸率自然就會(huì)提高;基于空間分集的MIMO系統(tǒng)的基本思想是給接收機(jī)提供信息符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落副本，使得所有信號(hào)成分同時(shí)經(jīng)歷深度衰落的概率變小。在任意接近于信道遍歷容量的數(shù)據(jù)傳輸率進(jìn)行可靠通信要求時(shí)，在時(shí)間上對(duì)許多信道的獨(dú)立實(shí)現(xiàn)多統(tǒng)計(jì)平均，這主要是用來(lái)對(duì)抗信道的衰落的隨機(jī)性。

2 智能天線與MIMO的區(qū)別與融合

下面主要從陣元個(gè)數(shù)、陣元之間的距離以及二者的本質(zhì)原理三個(gè)方面論述MIMO技術(shù)與智能天線技術(shù)的區(qū)別。

首先從陣列陣元的數(shù)量來(lái)看，MIMO系統(tǒng)無(wú)論是發(fā)送端還是接收端都是多天線的，而目前的無(wú)線通信系統(tǒng)中智能天線系統(tǒng)只有基站一端為多天線，手機(jī)端為單天線(不排除將來(lái)手機(jī)端使用多天線的可能性)，因此目前的智能天線系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)單輸入多輸出(SIMO)或者多輸入單輸出(MISO)系統(tǒng)，可以說(shuō)智能天線系統(tǒng)是MIMO系統(tǒng)的一個(gè)特例，從而智能天線技術(shù)可以看成是MIMO技術(shù)的一種特殊情況。

其次從對(duì)陣列陣元間距的要求來(lái)看，當(dāng)MIMO系統(tǒng)用于空間復(fù)用時(shí)，由于要求收發(fā)天線對(duì)之間路徑增益衰落是獨(dú)立的，用以構(gòu)建多個(gè)并行的空間子信道，從而在這些子信道間發(fā)射不同的信息流，因而無(wú)論是發(fā)送端還是接收端陣元的距離理論上都應(yīng)該盡量大，使得不同天線陣元接收到的信號(hào)相互獨(dú)立或者不相關(guān)。當(dāng)MIMO系統(tǒng)用于空間分集時(shí)，以空時(shí)編碼為例，由于空間分集的基本思想是給接收機(jī)提供信息符號(hào)的多個(gè)獨(dú)立衰落副本，使得所有信號(hào)成分同時(shí)經(jīng)歷深度衰落的概率變小。因此，陣元間距也應(yīng)該是盡量大(一般要求大于信號(hào)載波的半個(gè)波長(zhǎng))。而對(duì)于智能天線系統(tǒng)則不然，上行鏈路的智能天線陣列可以看成是一個(gè)FIR濾波器，即空間濾波器，一些用于時(shí)域FIR濾波器的定理或許可以類(lèi)似地用到空域的等距智能天線陣列上。在時(shí)域或頻域中，奈奎斯特定理可陳述為［1］:對(duì)于一個(gè)頻域帶限的連續(xù)信號(hào)，若其頻域的最大頻率為f，則該信號(hào)可以由對(duì)該連續(xù)信號(hào)以大于等于2f的速率采樣得到的數(shù)字信號(hào)唯一確定。如果采用速率小于2f，就將發(fā)生混疊。類(lèi)似地，對(duì)于智能天線可以得到:為了避免空間混疊，智能天線波束賦形器的陣列陣元間距必須滿(mǎn)足［2］［3］:

這就是著名的奈奎斯特空間采樣定理。因而為了避免波束賦形后產(chǎn)生空間混疊，智能天線陣元間的距離必須小于等于信號(hào)載波的半個(gè)波長(zhǎng)，然而陣元的間距也不能任意地小，太小會(huì)在方向圖上形成不必要的副瓣，同時(shí)陣元間會(huì)產(chǎn)生調(diào)諧干擾，因此為了同時(shí)避免空間混疊以及防止陣元間的耦合效應(yīng)而產(chǎn)生干擾，在實(shí)際應(yīng)用中智能天線陣元間距一般等于信號(hào)載波的半個(gè)波長(zhǎng)，因此MIMO系統(tǒng)與智能天線技術(shù)對(duì)于陣元間距的要求是不同的。

對(duì)于目前使用了智能天線的移動(dòng)通信系統(tǒng)，為了技術(shù)發(fā)展的延續(xù)性及設(shè)備升級(jí)的兼容性，自然容易想到在智能天線系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)，即保證天線陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)(智能天線的要求)的條件下，使用MIMO技術(shù)，下面將就TD－LTE系統(tǒng)中天線陣元間距對(duì)于系統(tǒng)吞吐量的影響進(jìn)行仿真分析。

仿真條件為:基于TD－LTE系統(tǒng)，發(fā)送端和接收端的陣元數(shù)皆為2，信道帶寬為5MHz，TDD模式下每個(gè)下行資源格包含的資源塊數(shù)為25，每個(gè)下行資源塊包含的子載波數(shù)為12，F(xiàn)FT的點(diǎn)數(shù)為FFT_length=512，循環(huán)前綴cp_length=56;發(fā)送端編碼方式為turbo編碼。發(fā)端采用QPSK信號(hào)作為信號(hào)源;發(fā)送端陣元間距分別為四個(gè)波長(zhǎng)和半個(gè)波長(zhǎng);各發(fā)射天線上的功率相等;接收端采用理想的信道估計(jì)值;并且信號(hào)到達(dá)接收端時(shí)已達(dá)到了精準(zhǔn)的同步;信道環(huán)境按照3GPP TR 25．996 V6．1．0中的多徑衰落傳播環(huán)境給出的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

從圖1中容易看出，在case3的信道條件下，就吞吐量而言，陣元間距為四個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的性能都比陣元間距為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)的性能要好，約有0．5 dB的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)樗膫€(gè)波長(zhǎng)時(shí)天線陣元間的信號(hào)的相關(guān)性相對(duì)于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)要低，根據(jù)MIMO技術(shù)的原理，陣元相關(guān)性越低，系統(tǒng)性能越好，因而仿真與理論分析是相符合的。在實(shí)際系統(tǒng)中，要根據(jù)具體情況看這0．5 dB的性能差異是否可接受，如果能接受，則可以在目前的智能天線系統(tǒng)中，在硬件上不需要做任何改變的情況下直接使用MIMO技術(shù)，否則，需要加大天線陣元的間距才能使用MIMO技術(shù)。

圖1 case3且移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為120 km/h

如圖2在case4的信道環(huán)境時(shí)，二者性能卻相近，這是因?yàn)閏ase4的信道環(huán)境為平坦衰落信道，只有一條多徑，此時(shí)，散射環(huán)境很弱，無(wú)論是四個(gè)波長(zhǎng)的陣元間距還是半個(gè)波長(zhǎng)的陣元間距，陣元相關(guān)性仍然很高，所以二者的吞吐量幾乎一樣。

圖2 case4且移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為3 km/h

再次，從二者的本質(zhì)原理方面來(lái)看，智能天線技術(shù)通過(guò)反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線的方向圖，它充分利用了陣元間的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)天線方向圖主波束對(duì)準(zhǔn)期望用戶(hù)信號(hào)，而副瓣或者零陷對(duì)準(zhǔn)干擾用戶(hù)信號(hào)，達(dá)到充分高效利用移動(dòng)用戶(hù)信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。而MIMO系統(tǒng)一般要求發(fā)端和收端陣元相關(guān)性盡量低，以提高系統(tǒng)復(fù)用或者分集的性能，從這一點(diǎn)而言二者也是相矛盾的。

以上所論述的三點(diǎn)即為MIMO系統(tǒng)與智能天線系統(tǒng)的主要區(qū)別，當(dāng)然MIMO與智能天線的各種矛盾也可以在一定的條件下統(tǒng)一，下面將論述二者的結(jié)合點(diǎn)。

近來(lái)出現(xiàn)了許多將智能天線和MIMO相結(jié)合的技術(shù)，如圖3所示就是一個(gè)將智能天線和BLAST相結(jié)合的方案，在圖中將發(fā)送端的M*N根天線陣列分成M組，每組N根陣列，對(duì)于同一組內(nèi)的N根陣列采用智能天線波束賦形技術(shù)，即同一組內(nèi)的陣列發(fā)生的數(shù)據(jù)信息是相同的，只是不同用戶(hù)間的加權(quán)系數(shù)不同。M組不同陣列發(fā)送的數(shù)據(jù)是不同的，即使用的是BLAST技術(shù)，是一種空間復(fù)用技術(shù)。這樣理論上實(shí)現(xiàn)了智能天線的發(fā)射分集和MIMO的空間復(fù)用的集合，既能保證較好的誤碼率性能又能保證較高的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。

圖3 智能天線波束賦形與BLAST的結(jié)合方案

近來(lái)出現(xiàn)了一種下行特征波束賦形技術(shù)，特征波束賦形MIMO系統(tǒng)的模型為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。這種波束賦形技術(shù)研究?jī)r(jià)值有限，因?yàn)樗贿m合于平坦衰落信道，對(duì)于非平坦衰落信道顯然這種方法就失效了，而在實(shí)際中信道環(huán)境多為非平坦衰落的信道。

3 結(jié)論

智能天線與MIMO技術(shù)是近十年來(lái)無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，將成為未來(lái)無(wú)線寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)和無(wú)線寬帶接人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。作為無(wú)線通信領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，MIMO技術(shù)在通信理論上還遠(yuǎn)沒(méi)有完善，信息論容量已經(jīng)揭示MIMO系統(tǒng)能獲得巨大的容量增益，但如何接近或達(dá)到信道容量取決于發(fā)射接收機(jī)的信號(hào)處理算法。本文論述了智能天線技術(shù)與MIMO技術(shù)的區(qū)別與聯(lián)系，并就在智能天線系統(tǒng)中使用MIMO技術(shù)的可能性進(jìn)行分析，為二者融合的可能性提供一定的參考，智能天線技術(shù)與MIMO技術(shù)還在繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)，人們對(duì)高質(zhì)量的無(wú)線通信系統(tǒng)的需求不斷催生新的應(yīng)用，智能天線與MIMO在通信系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用將不斷促進(jìn)這兩種技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

［1］Z.Rong，Simulation of Adaptive Array Algorithms for CDMA Systems［M］.M.S.Thesis，Virginia Tech，Sept 1996.

［2］J.G.Proakis，Digital Communications［M］.New York，NY:McGraw-Hill Inc.，third ed.，1995.

［3］T.E.Biedka，A General Framework for the Analysis and Development of Blind Adaptive Algorithms［M］.Ph.D.dissertation，Virginia Tech，Oct 2001.