論移動(dòng)通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)智能天線與MIMO

王剛

摘 要 智能天線與MIMO技術(shù)都是廣泛應(yīng)用于下一代移動(dòng)通信中的多天線技術(shù)，這兩種技術(shù)的原理差異非常大，二者各有優(yōu)勢(shì)，智能天線在多徑效應(yīng)較輕情況下性能較好，MIMO在多徑效應(yīng)較重情況下性能較好，如何使兩種技術(shù)同時(shí)在系統(tǒng)中被使用，在不同場(chǎng)景下都能獲得較佳性能是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題。本文在介紹智能天線與MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上，最后提出了相應(yīng)的融合機(jī)制。

關(guān)鍵詞 智能天線 MIMO 融合機(jī)制

1 引言

隨著全球移動(dòng)通信的不斷發(fā)展，移動(dòng)用戶的日益增多，現(xiàn)一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資源已經(jīng)變的非常有限。如何的利用有限的帶寬資源，已經(jīng)成為現(xiàn)在已經(jīng)成為了移動(dòng)通信領(lǐng)域中一個(gè)熱門話題。智能天線可以滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。移動(dòng)通信中另一個(gè)難于解決的問題的如何克服多徑干擾。在傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)中多徑干擾始終存在并到現(xiàn)在為止沒有找出很好的克服方法。于是MIMO 的研究成為現(xiàn)在通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。如果智能天線與 MIMO 技術(shù)結(jié)合使用，更加會(huì)開發(fā)空域在移動(dòng)通信中的巨大潛力。必定能很好的解決系統(tǒng)容量擴(kuò)充問題與抗多徑干擾問題，改善通信質(zhì)量增大系統(tǒng)容量。

智能天線技術(shù)可以提高接收信號(hào)的信干比和小區(qū)的用戶容量，自提出以來就深受業(yè)內(nèi)關(guān)注，已經(jīng)被TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)采用，國際電聯(lián)也明確將它作為第三代及以后移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)的信道容量提高信息傳輸速率，因此該技術(shù)已成為4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO和智能天線都是4G的關(guān)鍵技術(shù)，如果我們可以將二者有機(jī)地結(jié)合起來，就可以大大提高4G系統(tǒng)的性能，使得通信終端在更高的移動(dòng)速度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，因此如何把MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合起來加以應(yīng)用非常值得探討。

2 智能天線和MIMO技術(shù)分析

MIMO和智能天線都屬于多天線系統(tǒng)中的技術(shù)，這兩種技術(shù)既有共性又有顯著區(qū)別，憑借在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線共同成為了下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展中炙手可熱的新技術(shù)。

2.1 智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)可用于多天線系統(tǒng)中，但它與以往天線分集有著很大的區(qū)別。智能天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，采用了先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)用戶信號(hào)到達(dá)方向，旁瓣或零陷對(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)用戶信號(hào)并刪除或抑制干擾信號(hào)的目的。智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號(hào)的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)。一個(gè)典型陣列天線接收系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由三部分組成：實(shí)現(xiàn)信號(hào)空間過采樣的天線陣列，對(duì)各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò)，更新合并權(quán)值的控制部分。這其實(shí)是智能天線用作接收天線時(shí)的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進(jìn)行發(fā)射時(shí)結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒有相加合并器。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，抑制干擾信號(hào)并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來幾乎所有先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

2.2 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)通過空間復(fù)用，使頻譜效率得以成倍提高。空時(shí)編碼技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的編碼和信號(hào)處理技術(shù)，它將信道編碼技術(shù)與陣列處理技術(shù)相結(jié)合，大幅度地提高無線通信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率。MIMO系統(tǒng)是指發(fā)射端與接收端都有多個(gè)天線的通信系統(tǒng)，如圖2所示MIMO技術(shù)可以視為智能天線技術(shù)的一種擴(kuò)展。但是傳統(tǒng)的智能天線的智能體現(xiàn)在天線加權(quán)選擇算法上，而MIMO系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是信號(hào)的編解碼處理。MIMO系統(tǒng)與智能天線的不同在于它能夠同時(shí)獲得發(fā)送和接收分集增益。

MIMO無線通信技術(shù)的概念是在任何一個(gè)無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個(gè)天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個(gè)無線MIMO系統(tǒng)。MIMO無線通信技術(shù)采用空時(shí)處理技術(shù)進(jìn)行信號(hào)處理，在多徑環(huán)境下，無線MIMO系統(tǒng)可以極大地提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

2.3 MIMO和智能天線技術(shù)的比較

MIMO和智能天線技術(shù)都用于多天線系統(tǒng)，但是兩者又有本質(zhì)的區(qū)別。

從原理上看，智能天線利用到達(dá)天線陣的信號(hào)之間完全相關(guān)性形成天線方向圖，它關(guān)鍵能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的定向發(fā)送和接收；而在MIMO中天線收發(fā)信號(hào)是全方位的，并且到達(dá)天線陣的信號(hào)必須相互獨(dú)立，用多個(gè)天線接收信號(hào)來克服信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的空間深衰落，增加分集增益。

從天線結(jié)構(gòu)上看，兩種技術(shù)都可以使用多天線，智能天線通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線的方向圖，天線陣元間距一般取1/2波長(zhǎng)，因?yàn)殛囋g距過大會(huì)減小接收信號(hào)彼此的相關(guān)程度，太小則會(huì)在方向圖上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系統(tǒng)中，天線單元之間的間隔必須為多個(gè)波長(zhǎng)一般為10～15波長(zhǎng)，以確保到達(dá)天線陣各個(gè)單元的信號(hào)是互不相關(guān)的。

從多天線系統(tǒng)來看，傳統(tǒng)的智能天線是指僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號(hào)的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)，而MIMO只應(yīng)用在MIMO系統(tǒng)中。

3 MIMO和智能天線技術(shù)的融合

MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益。MIMO通信中，空間復(fù)用是將輸入數(shù)據(jù)分成多個(gè)子流，每個(gè)子流從不同的天線發(fā)送出去，在同一頻帶上使用多個(gè)MIMO子信道，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。如果在發(fā)射端和接收端之間安裝多個(gè)天線，只要天線之間的距離足夠遠(yuǎn)，就可以認(rèn)為在發(fā)射端和接收端之間建立了多條獨(dú)立同分布的空間信道，從而在空域引入了冗余，實(shí)現(xiàn)空間分集。設(shè)發(fā)端Nt根天線，收端Nr根天線，當(dāng)發(fā)射天線間距大于等于10λ，接收天線間距大于等于λ/2，就可以近似認(rèn)為每對(duì)收發(fā)天線之間的傳播路徑相互獨(dú)立，這樣就在收發(fā)天線陣之間建立了從NtxNr條獨(dú)立同分布的傳播路徑。

如果將智能天線與MIMO技術(shù)相結(jié)合，那么我們的期望是所形成的系統(tǒng)不但能提供智能天線技術(shù)所帶來的天線增益，還應(yīng)帶來提高系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的分集增益。在智能天線技術(shù)基礎(chǔ)上，如果要獲得分集增益，在陣元之間尋求這種可能性是不現(xiàn)實(shí)的做法，因?yàn)殛囋g距λ/2，彼此之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。那么要弱化相關(guān)性，可以從以下兩個(gè)方向著手：空間，極化。

空間分集，此時(shí)要將天線盡量拉開距離，以滿足較低的衰落相關(guān)性。衰落相關(guān)性依賴于天線間距和角度擴(kuò)展，角度擴(kuò)展即角度分布的標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于戶外系統(tǒng)來說，基站端的角度擴(kuò)展可能僅僅為幾度，所以天線的水平間距為10λ-20λ是必須要滿足的條件。因此，我們?cè)诜治鲂阅軙r(shí)，存在將等效MIMO的平均間距設(shè)為10λ的情況。

極化分集，可以采用兩個(gè)相互垂直的極化方向來滿足較低的衰落相關(guān)性，例如水平極化和垂直極化。這些正交極化后的天線陣元彼此間的相關(guān)性很小，而且組合成的天線體積會(huì)相應(yīng)縮小。

MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵是如何能在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)采用兩種技術(shù)。下面我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)能支持這兩種技術(shù)。本文給出了一種方案，使這兩種技術(shù)求同存異，在一個(gè)系統(tǒng)中共存。

上文比較這兩種技術(shù)的異同點(diǎn)可以看出，MIMO和智能天線技術(shù)共存的主要障礙是天線結(jié)構(gòu)：智能天線要求天線間距取1/2λ，并且用于SIMO和MISO系統(tǒng)；而MIMO要求天線間距為數(shù)個(gè)波長(zhǎng)，并且只用于MIMO系統(tǒng)。本文給出的方案很好地解決了這個(gè)問題，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3所示的拉遠(yuǎn)分組天線陣列中所有天線陣元均為垂直極化，但分成兩組，每組天線陣列內(nèi)各有4個(gè)天線陣元，每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間距保持傳統(tǒng)智能天線采用的半波長(zhǎng)間距λ/2，這樣每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。但兩組天線陣列通過空間距離來換取MIMO應(yīng)用所依賴的不相關(guān)性或弱相關(guān)性，即將兩組天線拉遠(yuǎn)至4λ—l0λ。

圖4所示的雙極化分組天線陣列中，每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間距保持傳統(tǒng)智能天線采用的半波長(zhǎng)問距λ/2，但組問采用不同極化方式，如圖2（b）所示一組天線陣列內(nèi)陣元均采用+45。極化，而另一組天線陣列內(nèi)陣元均采用-45。極化，這樣每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。但兩組天線陣列通過不同的極化方式來換取MIMO應(yīng)用所依賴的不相關(guān)性或弱相關(guān)性。這樣的天線陣列的尺寸僅為不到原天線陣列的一半，在尺寸方面有著較好的優(yōu)勢(shì)。

顯然，上述天線結(jié)構(gòu)均基于天線分組的思想，只是天線分組間的不相關(guān)性或弱相關(guān)性的獲得方式不一樣，但這也導(dǎo)致了這兩種天線具有不同的物理結(jié)構(gòu)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。拉遠(yuǎn)分組陣列較極化分組天線陣列而言，沒有正交極化天線理論上存在的極化損失，但正交極化天線分組可以具有更小的尺寸，更有利于工程實(shí)施。

結(jié)束語：如今智能天線和MIMO在各自領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用并且分別發(fā)著揮極其重要的作用，它們的應(yīng)用都為解決無線通信中存在的各種難題做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，如何將MIMO 與智能天線結(jié)合，充分發(fā)揮他們各自優(yōu)勢(shì)，仍然是無線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。將MIMO 與智能天線結(jié)合，必然能大大改進(jìn)無線通信質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量，為我們?nèi)找娣泵Φ母咚傩畔⑸钐峁└哔|(zhì)量的服務(wù)。

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