4G中的MIMO智能天线技术

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1、4G中的MIMO智能天线技术一、引言智能天线通常也称作自适应天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，它利用了天线阵列中各单元之间的位置关系， 即利用了信号的相位关系克服多址干扰及多径干扰，这是它与传统分集技术的本质区别。MIMO系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，其有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。其核心技术是空时信号处理，即利用在空间中分布的多个时间域和空间域结合进行信号处理。因此，可以被看作是智能天线的扩展。智能天线系统在移动通信链路的发射端/或接收端带有多根天线，根据信号处理位于通信链路的

2、发射端还是接收端，智能天线技术被定义为多入单出(MISO，Multiple In put Single Output)、单入多出(SIMO， Si ngle In put Multiple Output )和多入多出(MIMO , Multiple In put Multiple Output )等几种方式。For personal use only in study and research; not for commercial use二、多入多出智能天线收发机结构及研究进展从图1可以看出，比特流在经过编码、调制和空时处理(波束成行或空时编码)后，映射成不同的信息符号， 从多个天线同时发射

3、出去； 在接收端用多个天线接收，进行相应解调、解码及空时处理。编码调制：；空时加权TFor personal use only in study and research; not for commercial use图 1 多输入多输出智能天线收发机结构MIMO 系统中的空时处理技术主要包括波束成形( beamforming )、空时编码( spacetime coding )、空间复用( space multiplexing )等。波束成形是智能天线中的关键技术， 通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。 波束成形能有效地抑制共道干扰， 其关键是波 束成行权值的确定。1. MIMO 系统的

4、发射方案For personal use only in study and research; not for commercial useMIMO 系统的发射方案主要分为两种类型： 最大化数据率的发射方案 (空间复用 SDM ) 和最大化分集增益的发射方案(空时编码 STC )。最大化数据率发射方案主要通过在不同 天线发射相互独立的信号实现空间复用。 空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编 码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率， 它通过在发射端的联合编码增加信号的 冗余度，从而使信号在接收端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。( 1)空时编码 一些文献中给出了大量的发

5、射机制，这些机制分别可以使频谱效率最 大、速率最高、信噪比( SNR ， Signal to Noise Ratio )最大，它们都依赖信道状态信息 ( CSI ， Channel State Information )在发射端和接收端的已知程度。 CSI 在接收端通过信 道估计可以获得，然后，通过反馈可以通知发射端。对于发射端不需要 CSI 的发射机制，可以引入空时编码或者采用空间复用增益来利用 空间维数。空时编码主要分为空时格码和空时块码。接收到的信号通过最大似然(ML ，Maximum Likelihood )译码器进行检测。最早的空时编码是空时格码STTC ( Space-Time T

6、rellis Code )，在这种方式下，接收端需要多维维特比算法。STTC 可以提供的分集等于发射天线的数目， 提供的编码增益取决于码字的复杂度而无需牺牲带宽效率。空时分组编码 ( STBC ，Space-Time Block Code )可以提供与 STTC 相同的分集增益，但是它没有编码增 益。又由于 STBC 在译码时只需要线性处理，因此，通常都使用 STBC 。空时编码技术一 般假设 CSI 在接收端是完全已知的，当 CSI 在两端都未知时，提出了酉空时编码和差分空 时编码。( 2)空间复用 空间复用是指在发射端发射相互独立的信号，在接收端用ZF ，MMSE ，ML ，V-BLAST

7、3 等方法进行解码。它能最大化 MIMO 系统的平均发射速率， 可牺牲一些数 据率获得更高的分集增益。3)空间复用和空时编码结合将空间复用和空时编码相结合，在保证每个数据流获得最小分 集增益的条件下， 最大化平均数据率。 目前， 将空间复用和空时编码相结合的方案主要有两 种，链接编码和使用块码映射的自适应 MIMO 系统。链接编码方案是指在内部使用空时编 码，外部使用传统的信道纠错码( TCM ，卷积码， RS 码)的编码方案 4 ，这种方案既能提 供分集增益， 又能提高系统容量。 因为信道间的相关性将影响多天线系统的频谱效率， 当信 道处于理想状态或信道间相关性小时， 发射端采用空间复用的发

8、射方案， 当信道间相关性大 时，采用空时编码的发射方案。2. MIMO 的接收分集技术MIMO 系统在接收端的解码算法主要有 ZF 算法、 MMSE 算法、 判决反馈解码算法、 最 大似然解码算法和分层空时处理算法( bell labs layered space-time ， BLAST )。其中， 迫零算法和 MMSE 算法是线性算法，而判决解码算法，最大似然解码算法和分层空时处理 算法是非线性算法。在 SIMO 或者 MIMO 通信链路的接收端，接收机或者均衡器利用多径 信号重构发射信号。在非频率选择 SIMO 信道下，最优接收机制是最大比合并( MRC ，Ma ximum Ratio

9、Combining )；而对于频率选择 SIMO 信道， 最优接收机制是 ML 检测，但它 是非线性的， 其复杂度与天线数目成指数关系 (可以用线性译码器来代替， 但是性能会有所 下降)。 ZF 均衡器通过信道的逆可以消除符号间干扰 ISI ( InterSymbol Interference )， 但是其代价是对噪声产生了放大。 MMSE 接收机可以在噪声放大和 ISI 消除之间进行折衷。 基于判决反馈的一种次优非线性机制判决反馈均衡( DFE ，Decision Feedback Equalizer ) 可以用于改善线性均衡器的性能， 它通过反馈滤波器将以前符号产生的部分 ISI 从目前的

10、符 号中消除。 ML 和线性均衡可以扩展到 MIMO 信道中，与 MIMO 接收机相关的问题就是多 流干扰（ MSI ，Multistream ）的存在。 MSI 会导致多个数据流之间的相互干扰。非线性连续 抵消均衡器或者 V-BLAST 均衡器可以将 MIMO 信道转换成一些并行信道， 但是该机制可能 存在差错传播现象。3. MIMO 系统中的波束成形技术（ 1）特征波束成形 MIMO 系统的系统模型为 r=Hs+n ，将信道矩阵 H 进行奇异值分解， 如果发射端已知信道信息，通过发射端的特征波束成形和接收端的线性处理，可将 MIMO 信道分成平行的子信道。 如果发射端不知道信道状态信息，

11、在多用户的环境下， 可以采用随 机波束成形方法实现多用户分集。（ 2）波束成形与空时编码结合大多数情况下，假设CSI 的部分信息在发射端已知是合理的，因而提出了空时编码和波束成形相结合的混合机制。 空时编码和波束成形是两种不同 的发送分集技术。 空时编码属于开环分集技术， 在发送端不需信道信息； 阵列波束成形属于 闭环分集技术， 利用信道反馈信息进行空间滤波或干扰抑制， 信道反馈的准确性会严重影响 波束成形的效果。当发送端获得部分信道状态信息时（如信道均值或信道协方差矩阵） ，可 以根据信道信息选择发射策略（波束成形或空时编码5 ）。波束成形的权值在保证接收端达到信噪比和误码率要求的条件下，由

12、反馈信道信息决定，文献 67 中指出结合功率分配， 波束成形和空时编码对发射机进行联合优化，在不增加设备复杂度和损失发射速率的条件 下，提供了比传统空时编码更好的性能。总之，描述多入多出智能天线收发机特征的性能度量为均方误差（ MSE ，Mean Squa re Error ）、 SNR 、误比特率（ BER ， Bit Error Rate ）、可达吞吐量、需要的发射功率和 信道容量。 发射和接收机制都是根据这些准则进行优化的。 设计它的收发机要特别关注以下 4 个关键参数：（ 1 ）在发射端和接收端 CSI 的可靠性；（ 2 ）发射信号的特征（调制、复 用和训练信息）；（ 3）要优化的性能

13、度量；（ 4）计算复杂度的大小。三、智能天线的优点在移动通信系统中， 多径及多径时延扩展是移动通信中存在的主要问题。 多径传播将导 致信号严重衰落，时延扩展导致符号间干扰， 这将会严重地影响通信链路的质量。 同时，共 信道干扰是移动通信系统容量的主要限制因素， 它将影响用户对有效网络资源 （频率、 时间） 的复用。 智能天线通过利用多径可改善链路的质量， 通过减小相互干扰来增加系统容量， 并 且允许不同的天线发射不同的数据。总之，智能天线的优点可以归纳如下：1）增加覆盖范围 在接收端天线阵列对信号进行相干接收，可产生阵列或波束成形增益， 该增益与接收天线的数目成正比。（ 2）降低功率 /减小成

14、本智能天线对特定用户的传输进行优化，可以降低发射功率，从 而降低放大器的成本。（ 3）改善链路质量 /增加可靠性分集的形式包括时间分集、频率分集、码分集和空间分 集等。当用智能天线对空间域进行抽样时就会产生空间分集。在非频率选择性衰落的 MIM O 信道中， 最大的空间分集阶数等于发射天线数目和接收天线数目的乘积。 多个发射天线通 过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集， 而多个接收天线的接收分集取决于对独 立衰落信号的合并。（ 4）增加频谱效率 通过不同方法精确地控制发射功率会减小同道干扰，从而增加使 用同样资源的用户数目。通过波束成形实现空分多址（ SDMA ）可以实现资源的复用，从

15、而 增加数据速率和频谱效率。 该增益也被称为空间复用增益。 MIMO 系统中利用多个独立的空 间维数来同时传送数据，在不相关瑞利衰落 MIMO 信道中，其信道容量与收发天线数目的 最小值成正比。通常设计智能天线主要集中在上面提到的某一种增益， 如波束成形、 分集增益、 复用增 益。最近这些增益之间的相互折衷已经成为研究的焦点。四、未来移动通信系统中的智能天线技术未来移动通信系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术， 因此，未来智能天线设计的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。1. 物理层的可重配置性为了使移动通信通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中， 需要在收发机中采

16、用 可重新配置的自适应技术来调节结构， 从而获得最好的性能。 智能天线收发机中的可重配置 性可以看作是在各种不同环境中收发机结构的智能切换。例如，文献89 提出了在 MIMO信道中用于空间分集和复用相互折衷的算法。2. 不同层之间的优化OSI （ Open System Interconnection ，开放系统互连）模型定义的高层之间的相互作 用可以提高整个系统的性能。通过结合物理层、链路层、 网络层的参数设计智能天线， 即考 虑到各层之间相互关系来设计， 而不是单独考虑某一层。 实践表明， 单独考虑一层的设计方 法性能评估是低效的。例如，当引入调度后， 通过空时编码所得到的增益将会减小，甚至会 消失。OSI 不同层之间交换的信息可以归类如下：（ 1）CSI ：需要估计出信道脉冲响应、定