多天线技术.docx

电子与通信工程学科前沿技术课课程期末论文多天线技术综述一、 引言进入21世纪后，无线通信网络技术高速发展，同时无线通信网络中数据业务迅速增长。根据业界的普遍预测，在未来10年间里，数据业务将以每年1.62倍的速率增长，预计到2020年通信网络的容量需求将是目前的1000倍1，这无疑给整个无线通信网络带来了巨大的挑战。而多天线技术作为一种增强通信系统的方法，很早就应用到了无线通信网络中，且其价值也在无线通信领域得到了认可。研究表明，作为多天线技术之一的多进多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术能够很好的提高无线通信系统的频谱利用率。采用MIMO技术在室内传播环境下的频谱效率能够达到2040bit/s/Hz，而使用传统的无线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为15bit/s/Hz，在点对点的固定微波系统中也只有1012bit/s/Hz2。由此可见，多天线技术能够在不增加功率和带宽资源的前提下有效的提高无线网络的频谱效率。多天线技术主要是指智能天线技术和MIMO技术。基于WCDMA, CDMA2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统应用的多天线技术主要是智能天线技术3。智能天线技术可以克服多用户间的干扰，通过空分多址增加频谱效率和信道容量；并且能够有效的抵抗多径衰落的影响，从而提高通信质量；同时，对功率的控制也可以通过在网络建设初期增加基站的覆盖范围来实现。因此，应用到支持多种业务的第三代移动通信系统中，很好的提高了传输速率，增加了频谱宽度，从而使通信服务质量得到了极大的提高。而MIMO技术是在3G向LTE（Long Term Evolution）演进中被引入的，它和正交频分复用技术0FDM相结合在LTE中起到了巨大的作用。第四代移动通信系统应用的多天线技术是智能天线技术和MIMO技术的结合，两者的结合使第四代移动通信系统在不占用额外的频谱和传输功率的前提下大大增加了传输速率和传输的可靠性4。据专家预测，能够高效处理特性差异巨大的各种业务的下一代移动通信系统5G（IMT-2020）将使用大规模天线技术5，大规模天线技术在5G中的引入将使系统的传输速率大大的提升，它将是5G通信中具有革命性的技术之一。二、 多天线技术的研究多天线技术，确切的说是对发射与接收信号进行空域的处理，如果与时域相结合，变成为空时信号处理技术，通过空时信号的处理来提高系统的容量与质量6。多天线技术最早应用与雷达和声呐信号处理中，由于移动通信中服务用户的增多，频率资源的日趋紧张，用户速度需求的逐渐增加，传统的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）这些时频域的信号处理技术已经不能满足需求。于是多天线技术就应用到了现代移动通信中。1、研究背景自从马可尼在1895年发明第一台传送无线信号的机器后，无线通信技术便开始迅速发展。特别是进入21世纪后，在新技术革命和全球信息高速公路建设浪潮的影响下，无线通信技术的发展更出现突飞猛进的势头。20世纪70年代末，人们进入了第一代无线通信技术时代，该技术是以频分多址为基础的模拟式移动通信系统。由于受频谱利用率低的限制，第一代无线通信只能传输语音信号，对于传输大数据只能是可望而不可即。20世纪80年代后期，人们进入了以数字移动通信技术为标准的第二代无线通信技术时代。在这一时代，研究人员利用时分多址和码分多址技术，提高了频谱利用率，支持更大的信道容量，它能达到的最大传输速率为32kbps7。在此基础上，移动通信公司推出了GPRS和EDGE等更加先进技术，使移动传输速率提高到了上百kbps，也有人称这时为2.5代移动通信技术。进入21世纪后，为了进一步增加移动通信的信道容量，基于WCDMA,CDMA2000和 TD-SCDMA技术的第三代无线通信技术开始崭露头角。第三代移动通信技术支持多种业务，提高了传输速率，增加了频带宽度，并且服务质量更高，成本低。但是,无线通信技术仍然面临有哏的频谱以及越来越复杂的实时信道环境,如衰减和多径效应等。因此在不占用额外的频谱和传输功率的前提下增加系统的传输速率和传输的可靠性变得至关重要。在这种情况下,基于多输入多输出技术的第四代无线通信技术诞生了,其传输速率可达1Gbps8。作为无线通信系统的关键部件,天线是福射与接收电磁波的重要系统部件,无线数据的传输都是依靠天线来完成的。天线的性能,对整个移动通信系统起着决定性的作用。并且随着现代通信技术的不断发展，如何降低多径衰落和天线间的干扰对传输速率和频谱带宽的影响，提升整个的网络吞吐量从而提高通信质量是多天线技术急需解决的问题，值得人们进行研究。2、研究现状及成果多天线技术主要指智能天线技术和多进多出MIMO技术。下面将对智能天线技术和多进多出MIMO技术的发展、研究现状及成果进行阐述。（1）智能天线技术智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。智能天线的产生是建立在对阵列天线发送或接收信号的空时处理，为系统的设计带来了更多可以利用的空间自由度，从而大大提高系统性能。这项创新最早应用在军事领域中的雷达系统9。由于受限于当时芯片技术和数字信号处理技术，直到20世纪90年代，随着高速低成本数字处理芯片的产生，智能天线才从军用发展到更广阔的移动通信系统中。智能天线引入到移动通信系统中克服了信道带宽资源有限的缺点，更好的满足了日益增长的移动用户的需求，在提高信道容量、频谱效率、覆盖范围、自动跟踪移动用户和补偿传播中的电磁扭曲等方面表现出了优越的性能。自从智能天线技术应用到移动通信系统中，各国就开始对它进行了广泛的研究，并取得了一些成果。欧洲通信委员会在DECT（数字增强无线通信）基本上搭建了智能天线实验平台，对智能天线的相关算法进行了现场测试。美国Redcom公司在时分多址PHS系统中采用了智能天线。日本ATR光电通信研究所通过波束空间处理研究了多波束智能天线，并将软件无线电的概念与智能天线结合10。在我国，北京信威通信技术公司早在1997年就开始了智能天线的研究与推广，其成功的研发出了SCDMA无线用户环路系统并推向市场。作为我国自主知识产权的3G系统，TD-SCDMA系统采用了TDD（时分双工）模式与智能天线技术相结合。TD-SCDMA系统的智能天线是有8个天线单元的通信阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP( 数字信号处理器) 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高11。（2）多进多出MIMO技术多进多出MIMO技术是指在通信系统的发射端和接收端同时使用多个天线的技术，该技术是一项运用于802.11n的核心技术12。它最早是由Marconi于1908年提出的，利用多天线来抑制信道衰落。1970年，MIMO技术被首次引入到通信系统中，现在在第四代移动通信技术标准中被广泛使用。该技术可以对具有丰富散射环境的信道进行积极的利用，实现系统收发的空间复用与分集，从而使无线链路容量大幅度提高。MIMO 技术在通信层面的应用主要分为空分复用、空间分集、波束成型和预编码四个方面13。其中，空分复用工作在MIMO天线配置下，能够在不增加带宽的条件下成倍的提升信息传输速率，从而能够极大的提高频谱利用率。在发射端，高速率的数据流被分割为多个较低速率的子数据流，不同的子数据流在不同的发射天线上在相同频段上发射出去。如果发射端与接收端的天线阵列之间构成的空域子信道足够不同，即能够在时域和频域之外额外提供空域的维度，使得在不同发射天线上传送的信号之间能够相互区别，因此接收机能够区分出这些并行的子数据流，而不需付出额外的频率或者时间资源。空间复用技术在高信噪比条件下能够极大提高信道容量，并且能够在发射端无法获得信道信息的条件下使用。然后，空间分集技术是指利用发射或接收端的多根天线所提供的多重传输途径发送相同的资料，来增强资料的传输品质。而波束成型技术是借由多根天线产生一个具有指向性的波束，将能量集中在欲传输的方向，增加信号品质，并减少与其他用户间的干扰。最后，预编码主要是通过改造信道的特性来实现性能的提升。上述MIMO技术的四个方面相互配合应用能够更好的提升通信系统的性能。近年来，许多国内外学者对MIMO技术的理论、性能、算法以及具体实现方法等各方面进行了研究，尤其在理论和性能方面已经发表了很多成果。Bell实验室的BLAST (Bell-Laboratories layered space-time)系统是最早研制的MIMO实验系统14,也是领先的MIMO应用技术。BLAST系统就是利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”,在接收端对其进行“恢复”。且该系统的工作频率为1.9GHz, 使用8个发射天线和12个接收天线,采用D-BLAST算法,使频谱利用率达到了25.9bits/s/Hz。更可喜的是在2002年贝尔实验室制造出了世界上第一颗BLAST芯片,这种芯片可支持最高4x4的天线布局,可处理的最高数据速率达到19.2Mbps。除此之外，朗讯公司还完成了曼哈顿城市环境下的MIMO天线的测试15：在信噪比为lOdB的情况下,测得的信道容量为35bit/s/Hz。2003年8月,Airgo Networks推出了其号称是世界上第一款集成了多输入多输出技术的批量上市芯片组AGN100Wi-Fi。AGN100使用了三个5GHz和三个2.4GHz天线,保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性,并支持802.11a, b和g模式,还可以和以前的802.11设备通讯。AGN100将现在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps16。鉴于学者们对MIMO技术成功的研究和测量，工业界也开始将MIMO技术规范化和商业化。其中，Wimax(全球互通微波存储)、WLAN (无线局域网络)和LTE(3Gpp的长期演进)是三个应用最广泛的MIMO技术标准17。在这些标准中，当属无线局域网中的IEEE802.11应用的最早。现在，基于MIMO技术的产品已经越来越广泛的应用于通信领域中。同时，MIMO技术与OFDM技术的协同使用，使Wimax和WLAN利用高速带宽互联，提供可靠的无线宽带覆盖，并支持视频通信。显然，MIMO技术已经成为移动通信技术发展进程中炙手可热的课题。三、 目前的研究热点及难点问题目前国内外学者对多天线技术的研究更偏向于对多进多出MIMO技术的研究。3GPP(The 3rd Generation Partnership Project)机构在LTE的R8中就引入了MIMO技术，并且随着LTE/LTE-A的技术演进对MIMO技术的研究会逐步增强18。在LTE R8中，MIMO的上行方向是终端单天线发送、基站多天线接收，在下行方向引入了7种天线模式，这7种模式分别起着单发单收、发送分集、开环空分复用、闭环空间复用和多用户MIMO等功能。在R9中引入了第8种下行传输模式，形成了双流波束赋形技术。双流波束赋形技术是智能天线波束赋形技术和MIMO空间复用技术的有效的结合在TD-LTE系统中，利用TDD信道的对称性，同时传输两个赋形数据流来实现空间复用，并且能够保持传统单流波束赋形技术广覆盖，提高小区容量和减少干扰的特性，既可以提高边缘用户的可靠性，同时又能有效提升小区中心用户的吞吐量。在R10中，通过引入8端口导频以及多颗粒度双级码本结构提高CSI测量与反馈精度；通过导频的测量与解调功能的分离有效地控制导频开销；通过灵活的导频配置机制为多小区联合处理等技术应用创造条件；基于新定义的导频端口以及码本，能够支持最多8层的SU-MIMO传输。R10的上行链路中开始引入空间复用技术，能够支持最多4层SU-MIMO19。在R11中，多天线技术也是支持最大8端口的水平维度波束赋形技术，其系统容量还有很大的提升潜力。在R12中，3GPP开始对3D-MIMO进行研究，通过探索如何利用垂直方向的空间特性，获得额外的空间自由度，来提升整个网络的吞吐量。整个多天线技术的核心是充分利用空间自由度。然而，当前多天线技术的设计主要是集中在水平方向，并且天线和基站架构很难在用户级对信号的垂直维度进行控制，主要由于LTE系统无法在基带直接调整每个阵子的加权系数，因此垂直维度对信号功率分布的调整就受到一定的限制，从而导致无法利用信道垂直维度的自由度。这个致命的缺陷制约多天线技术的进一步发展20。有源天线技术的成熟将为未来多天线技术的进一步发展奠定基石21。四、 发展方向当前无线业务正经历着从传统电路域语音、短信向高速视频和多媒体业务发展的过程。这种发展趋势对无线通信提出高达每秒数百兆，甚至上千兆比特的高速分组数据传输需求。在无线频谱资源日趋紧张的情况下，需要进一步挖掘利用空间无线资源，显著提高频谱利用率。同时，由于人们对绿色无线通信的期待，需要进一步显著提高无线资源的功率利用率，实现绿色宽带移动通信需求。2010年底，贝尔实验室科学家Thomas L.Marzetta 提出大规模多天线系统（Massive MIMO）概念。大规模多天线系统是一种从根本上挖掘利用空间无线资源，实现干扰抑制，从而达到更高的频谱效率和功率效率的方式。同时，引入有源天线阵列，基站侧可支持的协作天线数量将达到128根。此外，原来的2天线阵列拓展成为3D天线阵列，形成新颖的3D-MIMO技术，支持多用户波束智能赋型，减少用户间干扰，结合高频段毫米波技术，将进一步改善无线信号覆盖性能22。多天线技术经历了从无源到有源，从二维（2D）到三维（3D），从高阶 MIMO 到大规模阵列多天线系统的发展，将有望实现频谱效率提升数十倍甚至更高，是目前5G技术重要的研究方向之一。未来的多天线技术主要向着更大的波束赋形/预编码增益、更多的空间复用层数(MU/SU)及更小的层间干扰、更全面的覆盖和更小的站点间干扰等方向发展。五、 参考文献1 易芝玲，潘振岗.技术研究有序推进，5G发展序幕初启J.技术专题，2014,3: 1519.2 任立刚,宋梅,郗松楠.移动通信中的MIMO技术J.现代电信科技，2004，1:4245.3 庄铭杰，林比宏.第三代移动通信智能天线的研究现状及发展趋势分析J.电讯技术，2002.4 黄静，朱欣远.4G移动通信关键技术及其展望探究J.新技术，2013.5 冯岩.5G研发 争分夺秒J.中国电子报，2014.6 梁书华.多天线技术概述J.2011，4：2328.7 葛利嘉,路鸣.蜂窝通信的空分多址的概念、算法和性能J.通信学报, 1999.8 郭鑫.第四代移动通信(4C)关键技术J.信息技术,2011.9 HAYKIN S,STEINHARDTA. 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