（电磁场与微波技术专业论文）用于mimo系统基站分集天线的一些新型设计.pdf

摘要 随着无线通信的飞速发展，移动用户对系统容量、质量的要求也 越来越高，但目前无线信道存在的多径衰落、频谱拥挤、噪声干扰等 问题大大影响了数据率的提高，一些常规的技术方案将不能满足这些 日益增长的需求，而多入多出( m i m o ) 无线通信技术提供了解决该问题 的新的技术途径，它在无线信道的收发两端均采用多个天线，并配合 空时编码，充分开发空间资源，在无需增加发射功率和频谱资源的情 况下，成倍地提高系统容量。 m i m o 系统获得理想效果的一个关键在于多天线的合理设计与布 局，以保证其取得良好的分集增益。本文在对目前m i m o 天线领域的 研究动态进行概述的基础上，结合基站的自身特点，提出并实现了一 种新型的基站极化分集波束赋形天线阵列，其阵元为平面印刷偶极子， 阵列在俯仰面形成类似平方余割形式的方向图分布。 本文工作可分为以下三个部分。 首先，本文简单回顾了研究的相关背景，包括无线通信的发展历 程，m i m o 技术的基本原理和主要研究内容，如信道建模、空时编码 方案、分集技术与多天线设计等，并概述了蜂窝无线通信基站天线的 常见形式及特点，在此基础上提出了本文m i m o 基站天线的设计思想。 接着，本文重点介绍了基站极化分集波束赋形天线阵列的设计过 程，包括阵列单元的选择、阵列综合原理、方向图赋形、微带功分器 制作，并给出了仿真及测试结果。 最后，为验证该极化分集阵列的性能，我们将其用于m i m o 系统 平台，进行了一系列的实验，并对一些典型的实验现象和实验数据进 行了分析讨论。从实验结果可以看出，该极化分集波束赋形天线可以 获得良好的分集效果，同时更好地实现了对服务区的覆盖，达到了预 期的设计目标。 关键词：m i m o 系统，分集，波束赋形，极化分集天线阵列 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， m o r er e q u i r e m e n t sf r o ms u b s c r i h e r st ot h es y s t e mc a p a c i t ya n dq u a j i t y a r ep u tf o r w a r d b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m si nw i r e l e s sc h a n n e l ，s u c ha s m u l t i p l e - p a t hf a d i n g ，l i m i t e ds p e c t r u ma n dn o i s e ，w h i c ha f f e c tt h ed a t a t r a n s m i s s i o n r a t e s o ，s u c h d e m a n d sa r en o t e n o u g h t ob em e t b y t r a d i t i o n a lm e a s u r e s t h e p r o m i s i n gt e c h n o l o g y ，n a m e l y m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t ( m i m o ) ，h a sp r o v i d e d an e w s o l u t i o nt o 地i sp r o b l e m ，w h i c ha d o p t s m u l t i p l e a n t e n n a sa tb o t h l t r a n s m i ta n dr e c e j v es i d eo ft h ec o m m u l l i c a t i o n 】i n k w i t ht h eu s eo f s p a c e - t i m ec o d i n g ，m i m ot e c h n o l o g y c a n f u l l ye x p l o r e t h e s p a c e r e s o u r c ea n do b t a i nm o r e c a p a c i t y w i t h o u ta d d i t i o n a lt r a n s m i t p o w e r a n df r e q u e n c yb a n d s a k e yf o rm i m 0s y s t e mi st h er e a s o n a b l ed e s i g na n da r r a n g e m e n to f m u l t i p l e a n t e n n a ，w h i c he n s u r e ss a t i s f i e dd i v e r s i t yp e r f o r m a n c e w i t h t h e o v e r v i e wo f p r e s e n tm i m o a n t e n n ar e s e a r c h ，t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r da n e wk i n do fp o l a rd i v e r s i t ya n t e n n aa r r a ya p p l i e di nm i m ob a s es t a t i o n s ， w h i c he l e m e n t sa r ep l a n a rp r i n t e dd i p o l e s t h eb e a m f o r m i n gt e c h n o l o g y i su s e dt oo b t a i nap a r t i c u l a rt y p eo fe l e v a t i o np a t t e r n ，w h i c hh a ss q u a r e c o s e c a n tc h a r a c t e r i s t i c t h ew o r ki nt h ed i ss e r t a t i o ni n c l u d e st h r e ep a r t s f i r s t l y ，t h e r e s e a r c h b a c k g r o u n d i s r e v i e w e d ，i n c l u d i n g t h e d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，t h eb a s i c t h e o r y o fm i m o m e t h o da n dt h em a j o rr e s e a r c hi n t e r e s t ，s u c h a sc h a n n e l m o d e l i n g ， s p a c e t i m ec o d i n g ，d i v e r s i t yt e c h n o l o g y a n dm u l t i p l e - a n t e n n a d e s i g n t h e n ，s o m ep r o b l e m si nb a s es t a t i o na n t e n n aa r ed i s c u s s e d c o n s i d e r i n g t h es p e c i f i cc o n d i t i o ni nb a s es t a t i o n s ，t h ep r i n c i p l eo fm i m ob a s es t a t i o n a n t e n n ad e s i g ni ss u m m a r i z e d t h es e c o n dp a r ti sc o n c e r n e dw i t ht h ep o l a rd i v e r s i t ya n t e n n ad e s i g n w ed i s c u s st h ea r r a ye l e m e n t s ，a n t e n n as y n t h e s i st h e o r y ，b e a m f o r m i n g t e c h n o l o g y a n d m i c r o s t r i pp o w e r d i v i d e r ，b o t ht h es i m u l a t i o na n d m e a s u r er e s u l t sa r ep r e s e n t e d f i n a l l y ，t ot e s t i t sp e r f o r m a n c e ，t h ep o l a rd i v e r s i t ya n t e n n aa r r a yi s j i u s e di nam i m 0m e as u r e m e n t p l a t f o r mt o c a r r y o u ts o m e e x p e r i m e n t s t h e t y p i c a le x p e r i m e n t a lp h e n o m e n aa n dr e s u l t s a r e a n a l y z e di n d e t a i l i tisd e m o n s tr a l e dt h a tt h ea n t e n n as c h e m ec a n o b t a i ns a t i s f i e d d i v e r s i t yg a i n ，e n h a n c e t h er a d i a t i o nt om o b i le u s e r s ，a n dt h ea n t i c i p a n ta i misr e a c h e d k e yw o r d s ：m i m os y s t e m ，d i v e r s i t y ，b e a m f o r m i n g ，p o l a rd i v e r s i t y a n t e n n aa r r a y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：壁煎虽日期：舢r 年f 月易目 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 橼聊签裤 日期：f 年f 月j ，日 电子科技大学硕士论文 第一章序论 随着用户数目和数据业务的不断增长，移动通信正在飞速发展， 从1 9 7 8 年由贝尔公司首次研制的蜂窝移动通信系统h c m t s 问世以 来，移动通信系统经历了第一代的模拟频分系统，如a m p s 、t a c s ， 目前广泛应用的第二代数字蜂窝系统，如g s m 、d c s l8 0 0 ，到即将投 入商用的第三代移动通信系统i m t 2 0 0 0 ，以及正在开展广泛研究的第 四代移动通信系统，可以看出无线移动通信从模拟到数字、从低速到 高速的发展趋势，并且通信系统的容量不断提高，业务种类也越来越 丰富。 第三代移动通信系统新增了众多的服务项目，内容将涉及话音、 数据、图像及多媒体等业务，这就对系统的容量和质量提出了更高的 要求，但目前无线信道存在的多径衰落、频谱拥挤、噪声干扰等问题 大大影响了数据率的提高，一些传统的技术方案将不能满足用户日益 增长的需求，因此必须寻求新的技术手段，m i m o 技术就是其中之一。 本章先简要回顾移动通信的发展历程，然后介绍在新一代移动通 信系统( b e y o n d3 g 4 g ) 中将要采用的多入多出( m i m o ) 通信技术的 原理及主要研究内容。 1 1 现代移动通信的发展历程 移动通信是指通信的双方，或者至少有一方在运动状态中进行 信息传递的通信方式，它使人们能够随时随地、不受时空限制地进行 信息交流，其优越性是固定电话无可比拟的。移动通信的发展最早可 以追溯到上世纪2 0 年代，在相关技术的支持下，它正经历着有史以来 发展最快的时期，已经成为多种网络、多种制式、覆盖范围广、用户 众多的通信系统，具有广阔的发展前景。 第一代模拟蜂窝移动通信系统1 2 ( 1 g ) 从上世纪8 0 年代开始发展， 主要采用频分多址( f d m a ) 技术，最初出现的是单区制人工交换系 统，随后发展到中容量中区制自动交换移动通信系统，第三阶段采取 的大容量小区制是以程控交换为基础的蜂窝移动通信系统，典型代表 如美国的a m p s 和欧洲的e t a c s ，这些系统极大地提高了频道的利用 率，以有限的频率资源解决了大量用户的需求。但是，模拟移动通信 系统存在着一些致命的弱点，比如：各系统间没有公共接口；数据承 载业务很难开展；频谱利用率低，无法适应大容量的需求；安全保密 电子科技大学硕士论文 性差，易被窃听，易做假机。另外，随着客户数量的急剧增加，蜂窝 网络容量的需求不断扩大。一般增加蜂窝网络容量的方法是增加基站 和减小基站小区的覆盖面积。然而，在城市密集区，要增设基站已经 变得非常困难且费用昂贵。因此，为克服第一代系统的局限性，世界 上一些发达国家自8 0 年代中期就开始了第二代移动通信系统的研究开 发工作。 第二代移动通信系统( 2 g ) 即目前广泛使用的g s m 、d c s l8 0 0 、 i s 一9 5 等系统，是从上世纪9 0 年代发展起来的，为数字蜂窝系统，主 要采用时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 技术。与第一代模拟 蜂窝系统相比，采用数字技术的系统确保了移动通信的升级能力和与 其他信息技术融合的能仂，具有如下优点： 1 提高了系统的灵活性。 2 高效的数字调制技术和低功耗系统。 3 大大增加了系统的有效容量。 4 信源和信道编码技术。 5 抗干扰能力。 6 灵活的带宽配置。 7 新的服务能力。 由于具有包括上述这些特点在内的优点，第二代系统在过去几年 内获得了前所未有的研究和开发。2 g 进一步地提高了频谱利用率，扩 大了系统容量，增加了非话音业务，并把s i m ( s u b s c r i b e ri d e n t i f i e r m o d u l e ) 卡技术应用于其安全保密措施中，原则上杜绝了盗号现象。 另外，由于超大规模集成技术的应用，移动台和基站的体积、重量和 功率可以大大降低。从1 9 9 7 年开始，由于第二代移动通信系统的巨大 成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐 趋明显，突出表现在系统通信容量不足，业务单一，无法实现某些高 速率数据( 如多媒体数据) 业务的应用，并且因为各国通信标准不统 一，系统不兼容，无法实现全球漫游。这就从根本上促进了第三代移 动通信的发展。 第三代移动通信系统1 2 ( 3 g ) 最早在1 9 8 5 年由国际电信联盟 ( i t u t ) 提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 19 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( 国际移动通信一2 0 0 0 ) ，该系统工作在 2 0 0 0 m h z 频段，最高业务速率可达2 m b p s ，预期在2 0 0 0 年左右得到商 用，其首选技术为宽带c d m a ( w c d m a ) ，而w c d m a 的备选方案 电子科技大学硕士论文 有欧洲及日本提出的w c d m a ，美国提出的c d m a 2 0 0 0 ，以及我国提出 的t d s c d m a 。3 g 需解决以上2 g 系统存在的问题，并至少实现下列 目标： 】形成统一的全球标准，至少要实现兼容的标准，以实现全球漫 游； 2 具有多媒体传输能力，系统应能在低速移动的情况下，实现综 合慢速视频数据的传输； 3 增加分组交换业务，提高传输的灵活性和信道效率； 4 增加非对称传输模式，如w w w 浏览等； 5 加强数据传输能力，2 g 提供的数据业务速率最高只能达到 9 6 k b p s ，而3 g 的最高数据传输速率将达到2 m b p s ； 6 提供更好的传输质量，3 g 的传输质量应达到或接近有线系统 的传输质量，可以为车载用户提供】4 4 k b p s ，为行人提供3 8 4 k b p s ，为 室内用户提供高达2 m b p s 的传输速率； 7 提高电池的使用寿命，利用低功耗集成技术，降低系统体积、 重量和能量消耗； 8 获得更高的频谱效率和信道效率。 第三代移动通信系统结合了第一代和第二代的性能，简化了第二 代系统向第三代系统的过渡，这种结合和演化决定了第三代移动通信 技术的多样性和复杂性。 近两年来，随着i m t 2 0 0 0 无线接口技术大局已定，日本、美国、 欧盟已经开始了第四代移动通信系统( 4 g ) 的研究，4 g 可以提供高达 1 0 0 m b i t s 的数据传输速率，支持从语音到多媒体，包括实时的多媒体 业务，数据传输率可以根据这些业务的需要进行动态调整【2 】。新一代 移动通信的另一个特点是低成本。要在有限的频谱资源上实现高速率 和大容量，需要频谱效率极高的技术，比如正交频分复用( o f d m ) 技术和多入多出( m i m o ) 技术。o f d m 技术【3 】f 4 】利用相互正交的载波 将信道分成若干个平行的窄带子信道，将高速数据信号转换成并行的 低速子数据流，调制到在每个予信道上进行传输，正交信号可以通过 在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少多径引起的符号间串扰， 并有效抵抗频率的选择性衰落。m i m o 系统在发射端和接收端均采用 多个天线，可以将多径效应作为一个有利因素加以利用，在不增加频 谱资源的情况下，成倍地提高频谱利用率和系统容量，所以，m i m o 技术具有相当高的容量潜力，将成为未来无线系统的关键技术。 电子科技大学硕士论文 1 2 im 0 无线通信技术 1 2 1 国内外研究动态 m i m o 技术【5 【6 】最早是由m a r c o n i 于19 0 8 年提出，上世纪7 0 年代 有人提出将其用于通信系统，但奠基工作是9 0 年代由a t & tb e l l 实验 室的学者完成的。19 9 5 年1 e t e l a d a r 推导了衰落情况下的m i m o 系统 容量；1 9 9 6 年g j f o s h i n i a 给出了一种多入多出处理算法一一对角贝 尔实验室分层空时f d b l a s t ) 算法；1 9 9 8 年v t a r o k h 等讨论了用于多 入多出的空时编码；1 9 9 8 年w o l n i a n s k y 等人采用垂直一贝尔实验室分 层空时( v - b l a s t ) 算法建立了一个m i m o 实验系统，在室内试验中达 到了2 0b i t s h z 以上的频谱利用率；2 0 0 2 年1 0 月，朗讯公司贝尔实 验室研制出世界上第一颗b l a s t 芯片，这一芯片支持最高4 x 4 的天线 布局，可处理的最高数据速率达到1 9 2 m b p s 。2 0 0 3 年8 月，a i r g o n e t w o r k s 推出了a g n l 0 0w i f i 芯片组，称其是世界上第一款集成了 多入多出( m i m o ) 技术的批量上市产品。该产品在提高速率的同时保持 了与所有常用标准的兼容性。除此以外，也有很多其他的高校、企业 和科研院所都正在积极进行m i m o 技术的深入研究，进行了大量的工 作，研究内容主要包括空时编码算法、信道建模、多天线设计与布局、 互耦分析、信道相关性评估等。目前，美国电气电子工程师学会( i e e e ) 数据库收录m i m o 研究的论文已达数千篇。 1 2 2m i m o 原理简析 m 1 m o 技术本质上是空间分集与空间复用的结合，分集可以保证 传输的可靠性，复用则可以提高传输速率。 在传统的无线通信理论中，多径效应会引起无线信号的衰落，因 而被视为一种不利因素，但如果在发送端与接收端同时采用多天线系 统，只要各天线单元间距足够大，无线信道的多径分量足够丰富，那 么天线接收到的多径信号的衰落就趋于独立，m i m o 技术就利用了这 一特性6 】- 【引。对于一个具有n 副发射天线和m 副接收天线的m i m o 系统，其发射信号经过空时编码后形成n 个信息子流，以相同的频率 经不同的天线同时发射出去，经过多径信道的传播，这些并行子流以 不同的路径到达接收机，并由不同的天线接收，接收机利用空时解码 对各接收信号进行处理，并恢复出原始数据流。由于这些子流同时发 送，占用同一频带，因而并未增加带宽。若各发射接收天线间的通道 电子科技大学硕士论文 响应相互独立，则可以创造多个并行空间信道。所以说，m i m o 系统 可以充分利用无线信道的多径传播，获取复用增益与分集增益，从而 显著提高无线链路的容量与质量。图1 1 为m i m o 系统的示意图。 发射 信号 、 多径信道 夕 接收 信号 图1 - 1m i m o 系统不恿图 对于这样一个具有n 副发射天线和m 副接收天线的无线链路，可 用信道矩阵h 描述其传输特性。文献7 的研究表明，如果信道矩阵h 的元素完全独立衰落( 即h 满秩) ，则该系统的容量随最小天线数目线 性增长。假设发射端不知道信道信息，并且发射功率平均分配到每个 发射天线上，则该m i m o 系统的容量为： 广 一 c = l 0 9 2 ld e t ( i + p h h 8 ) i b i t s h z ( 1 - 1 ) l j 当天线数目较多时，系统容量可近似表达为： c = m i n ( m ，) l 0 9 2 ( 1 + 尸) b i t s h z ( 1 - 2 ) 上式中，f 为仙农容量，p 是接收天线的信噪比，上标日表示复共轭转 置，h 为m n 的信道矩阵。 从式( 1 2 ) 可以看出，在不限制收发天线的空间和数目的假设条件 下，m i m o 系统在理论上可以提供无限大的容量，与以往的通信系统 相比，它对系统容量的扩展是相当可观的。 1 2 31 1 1 1 0 多天线系统的主要研究内容 目前，对m i m o 系统的研究主要有一下几方面内容： 1 m i m o 无线传播信道的测量与建模 2 空时编码( s p a c e t i m ec o d i n g ) 方案的研究 3 分集技术与多天线设计 关于分集技术与多天线设计将在下一章做具体的讨论，本小节主 要介绍m i m o 信道和空时编码的相关研究。 一、m i m o 信道模型 无线信道的空间特征是决定m i m o 多天线系统性能的重要因素， 电子科技大学硕士论文 而m i m o 信道建模的任务就是用一系列的参量将多径传播的空间信息 描述出来，比如多径散射分布、角度扩展、接收端的平均达波角与发 射端的平均去波角、收发多天线的配置布局等。为描述m i m o 信道， 人们提出了一系列的信道模型，归纳起来主要有三种，一种是非物理 统计模型7 1 【9 川0 1 ，它主要是基于对m i m o 信道进行大量测量得出的统 计特征，但易受测试环境及测试条件的限制，并难以分离测试的方法 及设备对结果的影响。这类信道模型的典型代表有g j f o s c h i n i 等提出 独立同分布( 1 i d ) 复高斯信道模型、j p k e r m o a l 等提出的i s tm e t r a 随机信道模型等。另一种为物理确定模型】1 1 13 ，比如单环及双环模型、 d g e s b e r t 等提出的室外分布散射模型、t s v a n t e s s o n 提出的电磁散射 信道模型等，它借助一些物理参数去描述m i m o 信道的多径特征，其 典型参数包括达波角( a o a ) 、去波角( a o d ) 等。但实际中很多传播环境 是较为复杂的，仅用少数几个参数无法准确地描述m i m o 无线信道， 因此，第三类建模方法是将前两者结合起来的混合模型，同时具有前 两类模型的一些特点。 二、空时编码 空时编码 1 4 1 1 7 i 是一种基于多天线发送技术的编码方案，它的主要 思想是将多天线技术和信道编码技术结合起来，利用空间和时间上的 双重编码同时获得空间分集和时间分集，在保证性能的前提下进一步 提高信息传输速率，降低信道误码率。根据编码分级理论，空时编码 手段被分为空时网格编码( s t t c ) 和空时分组码( s t b c ) 两种。空时网 格编码的概念是由a t & t 实验室的v t a r o k h 等人最早提出的，由于s t t c 不仅可获得较高的频带利用率，而且具有较好的抗衰落性能，因而很 快受到人们的重视，并在整个通信领域掀起了研究热潮。但这种方法 的译码复杂度会随传输速率的增加而呈指数增加，为了降低译码的复 杂度，s m a l a m o u t i 提出一种使用两副发射天线的传输分集方案【l 8 1 ， 虽然该方案无法获得编码增益，但它的编译码复杂度要比s t t c 简单的 多，具有更好的实用价值。在此基础上，t a r o k h 利用广义正交设计理 论将其推广到多于两个天线的系统中，提出了空时分组码的概念。 s t b c 运用正交设计有两个优点：在全分集时提供了最大的发送速率， 没有损失传送带宽；接收端可以利用简单的线性处理进行最大似然算 法解码，复杂度相对较低。另外，它能获得与最大比合并相同的分集 增益，因此被正式列入w c d m a 提案中。w c d m a 提案中下行发射分集 方案共有两种：空时发送分集( s t t d ) 和选择发送分集( t s t d ) ，其中 6 电子科技大学硕士论文 的s t t d 技术即为基于发射分集的空时分组编码。 1 3 本文的主要工作和所获成果 要使m i m o 系统获得理想的效果，一个关键在于多天线的合理设 计与布局，以保证其取得良好的分集增益。本文在对现有的多天线方 案进行概述的基础上，提出了适合于m i m o 系统基站分集天线的一些 新型设计思想和方案，并给出仿真及实验测试结果。 本文共分六个部分进行论述：第一章序论主要介绍研究的相关背 景，包括无线通信的发展历程，m i m o 技术概述，简单介绍了m i m o 系统的原理和主要研究内容，给出了m i m o 技术在后三代及第四代移 动通信中的重要地位；第二章分集技术与分集天线，对分集技术进行 概述，并介绍目前m i m o 天线领域的主要研究内容，包括分集方案、 天线布局、分集天线形式等等，并总结m 1 m o 天线不同于一般天线的 特点；第三章首先简单阐述目前蜂窝移动通信基站天线的常见形式、 特点和研究动态，并在此基础上结合m i m o 天线的特点分析总结 m i m o 基站多天线的设计思想；第四章根据第三章的思想对多天线分 集单元阵进行选择和设计，并给出了一种平面印刷振子的具体方案和 相应的测试结果；第五章在极化分集的基础上应用波束赋形思想进行 天线综合，在双极化阵列的俯仰面形成类似平方余割形式的方向图分 布；为验证该极化分集天线的性能，我们将其应用于m i m o 实验平台， 在第六章中给出一些典型的实验现象及数据结果，并对测试结果进行 了分析讨论；最后为全文的总结。 电子科技大学硕士论文 第二章分集技术与分集天线 从上一章我们知道，m i m o 系统本质上是空间复用与空间分集的结 合，天线分集增益是保证m i m o 系统获得理想效果的前提。本章将先 简要介绍分集技术，回顾目前m i m o 天线领域的主要研究内容，包括 分集方案、天线布局等，并总结m i m o 天线的特点和设计准则， 2 1 天线分集的主要技术途径 与有线通信相比，无线通信的不可靠性主要是由无线衰落信道的 时变和多径特性引起的，由于信号在无线传播过程中会发生反射、衍 射和散射，以多个传输路径到达接收端，无线信道的这种多径特性会 引起接收电平的剧烈起伏，严重影响接收效果，如何有效地对抗无线 信道的衰落是高速移动通信必须解决的首要问题。在不增加发送功率 或系统带宽的情况下，克服多径衰落影响、提高信道可靠性的有效方法 是采用各种分集技术1 9 2 1 1 1 4 7 1 。分集的基本原理就是通过若干个信道 ( 时间、频率或者空间) 接收承载相同信息的多个副本，由于这些信道的 传输特性不同，这些信号副本的衰落也不相同，当其衰落独立( 或至 少是高度不相关) 时，接收机就能有效的合并这多个副本包含的信息， 减小衰落信号电平的起伏程度，从而比较正确地恢复出原始信号。分 集技术的实质是利用在不同传播条件下，几个信号同时发生深度衰落 的概率小于单一信号同一衰落深度的概率来获取分集增益。 根据获得独立信号方法的不同，分集技术可分为时间、频率、空间、 角度、极化等形式，由于后三种分集方案在多天线系统中应用得较多， 本节将做较为详细的论述。 1 时间分集：时间分集就是在时间域内提供多个信号副本，即把 同一信号在不同时间区间内多次重发，为获得较好的分集效果，要求 发送冗余信号的若干时隙之间相互独立，即时隙间隔应该大于衰落信 道的相干时间，以使各次发送信号所呈现的衰落特性彼此独立不相关。 接收机将重复收到的同信号进行合并处理以恢复发射信号，以此来 减小衰落的影响。现在时间分集技术已经被大量地应用于扩频c d m a 的r a k e 接收机，但是在慢衰减信道中，时域交织会导致信号出现较大 的延迟，所以在这种情况下时间分集不适合用于那些对时延敏感的业 务。 电子科技大学硕士论文 2 频率分集：理论上，不相关信道发生同样衰落的概率是各自产 生衰落概率的乘积。频率分集就是在不问的载波频率上提供多个信号 副本，其工作原理是基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样 衰落的结论。所以，当载波频率的间隔大于衰落信道的相干带宽时， 载波信道之间就是独立不相关的，从而获得比较好的分集增益。在以扩 频技术为基础的c d m a 系统中由于信号的带宽远远大于系统的相关带 宽，从而使得同一地点接收到的信号发生的衰落在系统带宽内互不相 关，所以c d m a 系统的宽带传输特性本身就具有频率分集效应。但是， 当信道的相干带宽大于扩频带宽或者信号的延迟扩展相对较小时，利 用扩频技术来获得频率分集就不太合适。 3 空间分集：空间分集是目前使用最多的分集形式，由于空间分 集不牺牲信号带宽，因而在多数情况下，空间分集的实用性和有效性更 加显著。空间分集可分为发射分集和接收分集。 接收分集：接收分集是一种比较传统的分集技术，它在接收端 利用多个间隔一定距离的天线接收携带同一信息的多径信号，并采用 合并技术来获得较好的信号质量。空间分集的相关性可以由下式进行 计算【3 3 】： n ：= 【s ( 臼，妒) 乓( 臼，伊) 罨( p ，伊) s i l l p ，臼d p ( 2 - 1 ) 其中e ( p ，伊) 、e 2 ( 口，妒) 为每个分集单元的远场复方向图，+ 代表共轭运 算，s ( o ，妒) 为来波的概率分布函数，e l ( 口，伊) 、岛( 口，伊) 用下式进行归一 化： r 。r s ( 口，删骂( 口，妒) 1 2 s i n o d o d q 口= 1i = 1 ，2( 2 - 2 ) 由式( 2 1 ) 可以看出，s ( o ，p ) 对接收信号的相关性影响很大，由于 s ( o ，舻) 可以从一个侧面反映无线信道的多径特征，而这里的分集接收是 以空间距离来解相关的，因此空间分集的一个特点就是接收端的多径 特征( 比如信号扩展角) 对多天线的间距影响很大，比如，移动通信 系统的基站通常架设在高处，来波的信号角度扩展比较小，为保证接 收信号的不相关性，要求天线间隔较大，根据基站所处的环境不同， 间距可从十几个波长到二十几个波长不等；而在多径相对丰富、角度 扩展较大的移动端，只要半个波长左右就可以获得较低的相关性。所 以，接收分集实现起来较为容易，但需要占用一定的空间，对于体积 较为局促的移动端而言，实现多天线接收分集具有一定的困难，为解 9 电子科技大学硕士论文 决这一问题，人们提出了发射分集的概念，并进行了大量的研究工作。 发射分集2 2 2 4 】：移动端使用多天线分集的难度主要在于：( i ) 移动端体积有限，多天线由于空间的限制不能离得太远，引起天线接 收信号彼此相关性较高，降低了分集增益；( 2 ) 移动端使用分集接收代 价昂贵，增加用户的设备成本。在理论研究和实际应用中都发现，相 同阶数的发射分集和接收分集具有相同的分集增益。另外，跟移动端 相比，基站端复杂度的限制较少，并且空间相对较大，所以，可以在 基站端使用发射分集，提高下行链路的性能，把信号处理的复杂性留 给基站。 发射分集利用多副天线发射信号，并把发射信号设计成在不同的 信道中保持独立的衰落。根据基站端是否需要下行链路的反馈信息， 可以把发射分集分为开环和闭环两类。开环发射分集是指发射端在预 先不了解信道状态的情况下发射信号，一般为各天线等功率发射，其 主要优点在于系统较为简单，分集性能不受信道变化影响。但缺点是 没有充分利用信道信息，发射效率不高。这类的分集方法主要有空时 发射分集( s t t d ) 、时间转换发射分集( t s t d ) 、正交发射分集( o t d ) 。 闭环发射则是通过移动端向基站反馈下行链路的信道状况，基站根据 反馈信息计算每个移动端的发射权重，使发射功率实现最优的配置。 但闭环方法对反馈精确性和反馈时延的要求较高，如果信道变化的速 度大于移动端反馈的速度，那么天线的最优权值将不能得到及时的更 新。闭环的分集方案主要有选择发射分集( s t d ) 、发射自适应阵列 ( t x a a ) 等。 4 角度分集( a n g l ed i v e r s i t y ) ：或称为方向图分集( p a t t e r n d i v e r s i t y ) ，顾名思义，角度分集即是利用不同的天线方向图指向来分 离来自不同方向的信号。由于信号在传输过程中受多径环境的影响， 进行多次反射，使得到达接收端的信号不可能是同方向的，并且不同 角度的来波其衰落是不相关的，这在移动端表现得尤为明显，所以可 以安装方向性天线以得到不相关的信号。角度分集天线主要有开关寄 生天线( s w i t c h e dp a r a s i t i ca n t e n n a ) 和多模式天线( m u l t i m o d ea n t e n n a ) 等形式，本文将在下节做具体介绍。 5 ，极化分集( p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t y ) 【2 5 】_ 1 2 8 】：极化分集的研究工 作开始于上世纪7 0 年代，首先由w c y l e e 和y s y e h 研究了在超高 频( u h f ) 波段采用极化分集的可能性；s k o z o n o 等人提出了一个极 化分集的理论模型，并讨论了来波方位角对接收信号相关性的影响； 电子科技大学硕士论文 u w a h l b e r g 和c b e c k m a n 等人在18 0 0 m h z 频段上比较了垂直一水平极 化与4 5 。极化的分集效果。其他关于极化分集的天线形式、系统性 能分析的工作也在进行当中。 极化分集是利用双极化天线接收彼此垂直的极化分量来获取分集 增益的一种分集手段，其工作原理基于m i m o 无线信道的极化特征。 信号在无线信道的传播过程中，会进行多次反射、折射和散射，造成 信号极化状态的改变；由电磁场理论可知，正交极化分量的反射、折 射系数是不同的，这就导致在每一次的反射或者至少是其中的一些反 射中，正交极化分量的幅度、相位变化产生了差异。理想情况下，经 过足够多的随机反射后，接收信号的正交极化分量彼此独立，并且与 发射时的极化状态无关，这就是正交极化分量去相关的机理【29 1 。对于 无线信道这种极化扭转的性质，可以用交叉极化鉴别度( x p d ) 来衡 量。 假设发射端以垂直极化发射，那么x p d 可以定义为1 1 7 ： ，r 2 砜= 半( 2 3 ) 盯目 其中，而为经过无线信道传播后在接收端收到的垂直极化功率，而为 接收到的水平极化功率，所以x p d 也称为垂直水平平均功率比，它在 统计意义上描述了经多径环境传播后的天线接收信号。当x p d 值较大 时，说明这两个正交的极化分量彼此间的隔离度较高，可做为两个独 立的信道传输数据；当x p d 较低时，表明正交极化分量在信道中充分 混台，其衰落特性不相关，可提供分集增益。研究表明1 3 0 l ，对于城市 环境，x p d 一般为0 6 d b ，采用极化分集是比较合适的。 下面介绍文献2 6 中提出的基站极化分集理论模型，以便我们更好 地理解极化分集的特点。 如图2 1 所示，假设移动端以垂直极化( 或水平极化) 天线发射 信号，基站以两分支的极化分集天线( v 。、v ：) 接收，天线与垂直方向( y 向) 的夹角均为口。由于多径，些垂直极化信号会扭转为水平极化， 也就是说，基站接收信号包括水平( x 方向) 和垂直( y 方向) 两个分 量，即 x = c o s ( c o t + 庐】) ( 2 4 ) y = r 2c o s ( o t + 疵) ( 2 5 ) 其中， 、r z 为独立瑞利分布，相位破、唬独立均匀分布于 o ，2 7 。 那么天线的接收信号为： 电子科技大学硕士论文 v 1 = x s i n t 2 c o s + y c o s a( 2 - 6 ) v 2 = 一x s i n o t c o s p + y c o s a( 2 - 7 ) 上两式中，口为接收信号在方位面内的入射角( 定义为与天线主波束z 方向的夹角) 。 v 2 。 、 7 x z x ( a ) x - y 平面 ( b ) x z 平面 图2 - 1 基于文献2 6 的基站极化分集理论模型 设v 1 、v 2 的包络分别为置、恐，则 砰=c o s 2 口+ r 1 2 c o s 2 f l s i n 2 口+ 2 吒眨c o s 口s i n 口c o s 声c o s ( 畦一戎) ( 2 8 ) t ；= # s i n 2 口+ 2 c o s 2 c o s 2 a 一2 r l r 2c o s a s i n a c o s f l c o s ( j 一九) ( 2 9 ) 包络相关系数p 为 见：j 生盟她 雨雨瓦甭 i 其中代表均值计算。 因为r 服从瑞利分布，西、疵独立均匀分布于【0 ，2 7 r ，所以 ，4 = 2 ，2 c o s ( c , 一如) = 0 c o s 2 ( 办一办) = 1 2 将式( 2 1 1 ) 至( 2 - 1 3 ) 代入( 2 1 0 ) ，得 屐= ( 丽t a n 2 i a c 丽o s 2p - 2 ) 2 ( 2 - 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 式中z 为传播环境的交叉极化鉴别度，b d x p d 。 根据这种思路，可以相应推导出当两天线相互垂直放置时接收信 号的包络相关系数： 电子科技大学硕士论文 肛2 石丽五t a n 了2 ctiz_而cos2zfl2fltan2 t a n 而 2 15 )尸。 ( z + c o s 22 口) (2 口+ c o s 2 ) 、7 其中，口为天线v ，与垂直方向的夹角，其他参数的定义与式( 2 1 4 ) 相同。 根据式( 2 - 15 ) ，我们可以得出一些结论，如图2 2 所示。 ( a ) 口= 7 4( b ) z = 0 图2 - 2 极化分集的相关性 图2 - 2 的图a 为o r = 万4 时不同z 值对相关性的影响，可以看出，z 值 越低，即两个极化分量在信道中混合的越充分，接收信号的相关性就 越低，这与前面的结论相吻合。 图2 2 的图b 为当z = 0 d b 时不同口值对相关性的影响，可以看出， d = z 4 ，即天线的极化形式为4 5 。时相关性略高，当a = 0 ，即天线 的极化形式为垂直一水平极化时相关系数为0 ，这也与理想多径信道中 场的垂直极化分量与水平极化分量彼此独立不相关的论述相符合。 与传统的空间分集技术相比，极化分集具有结构紧凑、占用空间 小、成本低等优点，并且这一技术可以惊人地减小多径延时扩展，明 显改进链路的传输效率和提高容量，因而受到了人们的重视。 2 2m i m o 系统中的多天线研究 多天线系统是m i m o 技术的重要组成部分，m i m o 无线系统能否 取得理想的效果，除了受无线传播信道多径特性的影响外，还依赖于 多天线系统的合理设计与布局。m i m o 多天线设计的研究主要包括天 线单元形式、多天线布局、互耦分析等几方面内容 3 1j ，探索低成本、 高性能的天线方案和布局形式是当前m i m o 多天线研究的重点。 a，-2uc墨a 电子科技大学硕士论文 2