自適應多天線技術

　　多天線技術，是指在發(fā)送端或接收端都采用多根天線的無線通信技術，是近期發(fā)展較快的熱點研究技術之一。采用多天線技術可獲得功率增益、空間分集增益、空間復用增益、陣列增益和干擾抑制增益［1］，從而可以在不顯著增加無線通信系統(tǒng)成本的同時，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍、鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)傳輸速率。多天線技術有不同的實現(xiàn)模式，如波束賦形［2］、循環(huán)延遲分集［3］，空間分集［4-6］、空間復用［7］，以及他們之間的結合。

　　1 多天線技術模式介紹

　　每種多天線技術模式都各有其特點，下面將詳細介紹他們的原理和特點。

　　（1） 空間分集技術

　　空間分集是在空間引入信號冗余以達到分集的目的。如圖1中空間分集所示，發(fā)送端通過在兩根天線的兩個時刻發(fā)送正交的信息集合，從而獲得分集增益。

　　（2） 空間復用技術

　　空間復用是在每根天線上的同一時頻資源上，發(fā)送不同信息，以達到在不增加頻譜資源的情況下成倍提高頻譜效率的目的，如圖1中空間復用所示。通常人們將空間分集和空間復用技術稱為多輸入多輸出（MIMO）技術。

　?。?） 波束賦形技術

　　波束賦形（BF）是基于自適應天線原理，利用天線陣列通過先進的信號處理算法分別對各物理天線進行加權處理的一種技術。如圖2所示，發(fā)射端對數(shù)據(jù)流S1進行加權，并發(fā)送出去。在接收端看來，整個天線陣列相當于一根虛擬天線。通過加權處理后，天線陣列形成一個窄發(fā)射波束對準目標接收端，并在干擾接收端方向形成零點以減小干擾。

　?。?） MIMO+BF技術

　　由于BF技術在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，沒有復用增益。尤其是當信道質量較好時，使用BF帶來的傳輸速率提升并不明顯。因此，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率，可將BF技術與MIMO結合起來［8-9］?？臻g分集與波束賦形的結合，稱為空間分集波束賦形（SD＋BF）；而空間復用與波束賦形的結合，則稱為復用波束賦形（SM＋BF）。其中的一種實現(xiàn)方案如圖3所示。發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列，在每個子陣列上利用波束賦形技術，形成一根虛擬天線或者波束，2個波束間構成空間分集或者空間復用。

　　（5） 循環(huán)延遲分集技術

　　循環(huán)延遲分集（CDD）是正交頻分復用（OFDM）［10］技術中常用的一種多天線發(fā)送分集方案，他在各個物理天線上發(fā)送相同的頻域數(shù)據(jù)，并對時域的 OFDM符號進行不同的循環(huán)延遲，以此來獲得頻域分集增益。其發(fā)送端如圖4所示，時域數(shù)據(jù)流S1在各物理天線上分別進行循環(huán)延遲δi后再發(fā)送出去。其中，δi為循環(huán)延遲量，i=1，2，3，4，δ1一般為0。經過CDD處理后，整個天線陣列在接收端看來，也相當于一根虛擬天線。

　　（6） CDD +MIMO 技術

　　由于CDD技術在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，當信道條件比較好時，可以跟MIMO技術相結合來提升傳輸速率［11-12］?？臻g分集與循環(huán)延遲分集的結合，稱為空間分集循環(huán)延遲分集（SD＋CDD）；而空間復用與循環(huán)延遲分集的結合，稱為空間復用循環(huán)延遲分集（SM＋CDD）。其中的一種實現(xiàn)方案如圖5 所示，發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列，每個子陣列做CDD處理，形成一根虛擬天線。

　　　2 多天線技術比較

　?。?） 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

　　每種多天線技術模式在每根物理 天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)是不一樣的。以IEEE 802.16e［4］ 4天線為例，在兩個相鄰的符號內，并在同一個數(shù)據(jù)子載波上，每根物理天線發(fā)送的頻域數(shù)據(jù)流如表1所示?？臻g復用使用的是BLAST編碼［7］；空間分集使用的是Alamouti編碼，他在兩個正交頻分多址（OFDMA）符號間引入冗余。第i 根發(fā)送天線上第k個數(shù)據(jù)子載波對應的BF權值為wi（k）， i =1，2，3，4。另外，對時域數(shù)據(jù)進行的循環(huán)延遲，等價于頻域數(shù)據(jù)乘以一個相位旋轉

　　其中，系數(shù)0.5是功率歸一化因子，NF是IFFT的點數(shù)，k是子載波索引，δ1是CDD的循環(huán)延遲量，i =1，2，3，4。數(shù)據(jù)流為S1，S2，S3，S4……。

　　（2） 特點

　　一般情況下，BF、SD＋BF、SM＋BF需要根據(jù)信道狀態(tài)信息動態(tài)調整權值，屬于閉環(huán)技術，需要對導頻進行波束賦形，所以必須支持專用導頻；而 CDD、SD＋CDD、SM＋CDD可以在發(fā)送端并不知曉信道狀態(tài)信息的情況下完成，屬于開環(huán)技術。SM＋BF、SM＋CDD在不同的虛擬天線上可以發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流，在信道條件比較好的情況下，能提升系統(tǒng)的傳輸能力，滿足用戶高速率傳輸數(shù)據(jù)的需求；而BF、SD＋BF、CDD、SD＋CDD主要依靠在空間維引入冗余以達到分集增益，進而增加鏈路的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。另外，SD＋BF、SD＋CDD 每個虛擬天線可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，并在時域或頻域引入冗余以獲得空間分集增益，平均1個時刻只發(fā)1個數(shù)據(jù)流；BF、CDD每個時刻只有1個數(shù)據(jù)流，更適合信道相關性高的場景，實現(xiàn)簡單，對用戶透明，且不要求支持MIMO技術。在所有這些多天線技術模式中，比較常見的天線配置是發(fā)送端共有4根或者8根天線，而接收端只有1～2根天線。以上這些特點的總結如表2中所示。

　?。?） 影響因素

　　CDD、SD＋CDD、SM＋CDD靠人為引入信道多徑時延來獲得頻域分集增益，他們可以在未知信道狀態(tài)信息的情況下完成；而BF、SD＋BF、 SM＋BF則需要估算波束賦形的權值，并要求用戶反饋信道狀態(tài)信息，或利用信道的互易性特點，因此其性能會在很大程度上受權值估計的準確性和及時性影響。表3總結適合各種多天線技術模式的應用場景［13］。

　　3 自適應模式切換

　　每種多天線技術模式都有其特點和應用場景。實際通信時，由于用戶的物理位置、信道環(huán)境、移動速度、業(yè)務類型等存在著很大的差異，單獨使用哪種技術都不能最佳地發(fā)揮系統(tǒng)的性能。無線通信系統(tǒng)需要在不同的模式間自適應地切換，以適應信道環(huán)境等因素的改變，從而最大限度地提升系統(tǒng)的性能，滿足用戶高質量的通信要求［14］。

　　實際應用中，實現(xiàn)各種多天線技術模式的自適應切換是一個充滿挑戰(zhàn)的工作。首先，影響多天線技術模式性能的因素有很多［15］。所以算法設計時，需要對這些影響因素進行深入分析和研究，并根據(jù)情況設計不同的算法以滿足系統(tǒng)配置、信道條件、業(yè)務類型等多樣性要求。

　　其次，模式切換的類型很多。我們在對多天線技術的性質進行深入分析和大量仿真的基礎上，將切換類型分成3類：BF相關技術（BF、SD＋BF、 SM＋BF）之間的相互切換；CDD相關技術（CDD、SD＋CDD、SM＋CDD）之間的相互切換；BF相關技術與CDD相關技術之間的切換，如圖6所示。

　　根據(jù)接收端的移動速度或者相鄰兩個權值的相關性，選擇使用BF相關技術或者CDD相關技術。如果選擇了BF相關技術，那么需要計算SM＋BF、 SD＋BF、BF模式下的頻譜效率，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式；如果選擇了CDD相關技術，則需要計算SM＋CDD、SD＋CDD、 CDD頻譜效率，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式。

　　4 結束語

　　文章介紹了各種多天線技術模式的概念，分析比較了各種多天線技術模式的性能、影響因素和應用場景。最后介紹了多天線技術模式切換的算法。

　　中興通訊對多天線技術的研究進行了大量的投入，并且取得了顯著的成果，是最早掌握該技術的通信設備商之一。不僅實現(xiàn)了各種多天線技術模式，還對影響多天線技術的因素進行了深入的分析、大量仿真和實際系統(tǒng)的驗證?？梢愿鶕?jù)場景或者信道環(huán)境靈活地選擇多天線技術模式，以最大限度地提高通信系統(tǒng)的性能，從而能夠滿足客戶的高質量通信要求。