第四代移动通信系统中的多天线技术brcv.docx

第四代移移动通信信系统中中的多天天线技术术一、引言言由由于第三三代移动动通信系系统（33G）还还存在一一些不足足，包括括很难达达到较高高的通信信速率，提提供服务务速率的的动态范范围不大大，不能能满足各各种业务务类型要要求，以以及分配配给3GG系统的的频率资资源已经经趋于饱饱和等，于于是人们们提出了了第四代代移动通通信系统统（4GG）的构构想。 4G的的关键技技术包括括：（1）调调制和信信号传输输技术（OOFDMM）；（22）先进进的信道道编码方方式（TTurbbo码和和LDPPC）；（33）多址址接入方方案（MMC-CCDMAA和FHH-OFFCDMMA）；（44）软件件无线电电技术；（55）MIIMO和和智能天天线技术术；（6）基基于公共共IP网网的开放放结构。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典典型的智智能天线线系统2.智能天天线的分分类智能天天线主要要分为波波束转换换智能天天线（sswittcheed bbeamm anntennna）和和自适应应阵列智智能天线线（addapttivee arrrayy anntennna）。（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波波束转换换智能天天线（22）自适适应阵列列智能天天线自适应应阵列智智能天线线实时地地对用户户到达方方向（DDOA）进进行估计计，在此此方向上上形成主主波束，同同时使旁旁瓣或零零陷对准准干扰方方向。自自适应天天线阵列列一般采采用416天天线阵元元结构，阵阵元间距距为1/2波长长（若阵阵元间距距过大会会使接收收信号彼彼此相关关程度降降低，太太小则会会在方向向图形成成不必要要的栅瓣瓣，可能能放大噪噪声或干干扰）。图图3对自自适应阵阵列智能能天线与与波束转转换智能能天线进进行了比比较。图3自自适应阵阵列智能能天线（aa）与束束转换智智能天线线（b）的的比较3.智能天天线的自自适应波波束成形形技术智能能天线技技术研究究的核心心是自适适应算法法，可分分为盲算算法、半半盲算法法和非盲盲算法。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4MMIMOO无线传传输系统统1.分集增增益MIMMO系统统中发射射端和接接收端结结合，得得到一个个大的分分集阶数数（diiverrsitty oordeer）。假假设发射射天线MMT，接接收天线线数MRR，最大大链路数数为MTT×MRR；如果果所有这这些链路路具有相相互独立立的衰落落，则得得到MTT×MRR阶分集集。2.复复用增益益空空分复用用利用传传播环境境中丰富富的多径径分量，多多个数据据通道共共用一个个频率带带宽，从从而使信信道容量量线性（与与天线数数成正比比）增加加，而不不需要额额外带宽宽或功率率消耗。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空空分复用用系统3.MIMMO与空空时编码码与与MIMMO技术术密切相相关的另另一种技技术是空空时码，空空时码是是适合于于多天线线阵信道道的一种种编码方方案。它它综合了了空间分分集和时时间分集集的优点点，同时时提供分分集增益益和编码码增益。现现有的研研究表明明，空时时码能够够获得远远远高于于传统单单天线系系统的频频带利用用率。按按照空时时码适用用信道环环境的不不同，可可以将已已有的空空时编码码分成两两大类：一类要要求接收收端能够够准确地地估计信信道特性性，如分分层空时时码、网网格空时时码和分分组空时时码；另另一类不不要求接接收端进进行信道道估计，如如酉空时时码和差差分空时时码。4.MIMMO和OOFDMMOOFDMM技术是是一种特特殊的多多载波传传输方案案，其多多载波之之间相互互正交，可可以高效效利用频频谱资源源，同时时OFDDM将总总带宽分分割为若若干个窄窄带子载载波，可可以有效效抵抗频频率选择择性衰落落。与MMIMOO相结合合的MIIMO-OFDDM系统统既有很很高的传传输效率率，又通通过分集集达到很很强的可可靠性，从从而成为为第四代代移动通通信系统统的研究究热点。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。