多天线技术在无线通信中的应用

多天线技术在无线通信中的应用

随着全球移动用户的快速增加，高速以及宽宽地区的访问能力不断增强，无线业务的需求与有限的无线资源之间的矛盾日益突出。而且无线通信的一个突出的特点就是信号传播环境复杂,如何消除同信道干扰(CCI)、多址干扰(MAI)、码间串扰(ISI)及多径衰落的影响,在有限的频谱资源上传输大容量、高速率的无线数据业务,是无线通信系统中亟待解决的问题。多天线技术为解决上述问题提供了一种新的思路,其作为一种能有效提高频谱利用率、增加系统容量、抵抗和抑制各种干扰的技术引起了广泛研究,被视为未来无线通信中具有竞争力的技术之一,且已被作为后3G的候选技术。传统的信号接收技术一般只在时域、频域和码域进行处理,多天线技术可以处理信号的空间信息,甚至可以被用于实现空分多址SDMA。利用空间资源的多天线技术主要分为三类:多天线分集、智能天线和MIMO技术。1信号分集与接收方法同一个信号通过互相独立的多个信道传输后在接收端合并还原出原信号的技术称为分集技术,其主要目的是减小在平坦衰落(窄带)信道中的接收机所遇到的衰落深度和衰落持续时间的影响。无线信道的衰落可分为小尺度衰落和大尺度衰落,防止小尺度深度衰落的分集称为微分集技术,而减小大尺度衰落的分集称为宏分集技术。在微分集中,利用分集合并技术合并天线阵元接收到的经过多个不相关信道传输的信号,可以有效对抗信号的空间选择性衰落和改善系统性能,也称为天线分集或空间分集。接收天线之间的距离应该足够大,通常间隔为多个波长,确保各天线输出信号的衰落特性是相互独立的。空间分集接收方法可以分为以下四类:选择分集接收;反馈分集接收;最大合并比分集接收;等增益合并分集接收。宏分集的基本思想是利用空间上相隔较远的多个基站天线或分布式天线接收同一用户信号,并进行优化合并,可以增大覆盖面积,提高链路通信质量和增加系统容量。由于同一时间移动台同多个基站或分布式天线之间的传输性能不同,采用宏分集得到的合并信号比任何一个基站或分布式天线独立接收到的信号都好。即使一个通信链路瘫痪,整个通信过程可以通过其他链路维持。在CDMA系统中,宏分集可以增强软切换功能,提高信号的信噪比,降低发射功率,从而减小多址干扰,提高系统容量。2雷达的概念智能天线技术始于20世纪60年代,最初应用于雷达、声纳、军事方面,主要用来完成空间滤波和定位,相控雷达就是一种简单的智能天线。智能天线是在自适应滤波和阵列信号处理技术的基础上发展起来的。采用智能天线技术能够有效地抑制与接收的信号方向不同的多径干扰、同信道干扰、多址干扰以及其他各种类型的干扰,提高信号的传输质量,提高频谱的有效利用率,增大系统容量,因而智能天线在未来的无线通信系统中应用前景广阔。2.1智能天线及多天线分集技术智能天线主要分为天线阵列、接收通道、信息处理3部分,如图1所示。信息处理部分是智能天线的核心部分,主要完成波束形成的功能。智能天线利用多个天线组成天线阵列,根据某种准则将各天线阵元的输出加权合并,形成特定的天线空间方向图。天线阵主波束对准期望用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,从而充分利用移动用户信号,同时抑制干扰信号。智能天线技术与多天线分集技术有本质上的区别,分集技术的天线间相隔较远,通常为数个波长;而智能天线的天线阵元间隔通常小于或等于半波长,各天线接收到的信号是互相关的。智能天线不断更新各天线支路的权值Wi,调整天线的方向图。2.2带宽波束形成器智能天线根据复杂程度和智能化程度可分为两大类:切换波束天线阵列和自适应天线阵列。切换波束天线利用多个预先设定的并行波束覆盖整个用户区,系统根据用户在小区中的位置选取相应的波束,使接收的信号最佳。自适应天线阵通过调节各阵元的权值改变阵列的方向图,自适应地控制波束的幅度、指向和零点位置,使主波束指向期望信号,零点指向干扰,从而提高天线阵列的信号干扰噪声比SINR。根据系统的带宽,智能天线的波束形成器可分为窄带波束形成器和宽带波束形成器。当信号满足窄带传输的条件,权值可以取一组与频率无关的固定值,完成窄带波束形成,如图1所示。当不满足窄带传输条件时,信号的不同频率分量通过同一天线阵元接收时会有不同的幅度和相位。对这样的宽带信号,应该使用与频率相关的权值,使得在整个信号频带内的不同频率上所形成的空间方向图重合。宽带波束形成常有两类处理方法:一类是把宽带信号分为窄带信号,对每个窄带信号分别进行窄带波束形成;另一类是使用与频率相关的权值。智能天线的阵元排列一般比较规则,也有文献研究非规则阵列智能天线的波束形成算法,杨益新提出了利用bessel函数展开的宽带波束形成器,适用于任意结构的阵列,但其设计较为复杂,且不能适用于阵元具有指向性的阵列。2.3m阵元的波束形成器智能天线的核心就是波束形成算法,根据波束形成所用辅助信息的角度,可将窄带波束形成器分为基于时域参考信号的波束形成器、基于信号波达方向的波束形成器和基于信号结构的波束形成器。M阵元的波束形成器可以在M-1个方向上形成零陷,或者提供M重分集增益。波束形成器的性能由信道状态、干扰环境和用户移动状态决定,不同结构的波束形成器具有各自的优缺点。(1)fdd的自适应算法基于时域参考信号的波束形成器不需要信源的波达方向和阵列空间信息,因而应用最为广泛。接收端获取参考信号常有两种方法,一种是在发送信号中插入已知的训练信号,或事先发送一些导引信号来获得参考信号。另一种是以接收端检测出来的字符重新构造信号作为参考信号,显然这种方法对最开始的信号检测有很强的依赖。常用的自适应算法包括最小均方算法(LMS)、递归最小均方误差算法(RLS)、取样协方差矩阵的直接求逆算法(DMI)。LMS是一种基于梯度估计的最陡下降法,适用于工作环境信号的统计特性平稳但未知的情况。LMS算法简便灵活易于实现,但收敛速度较慢。DMI通过在有限的观察期内对协方差进行估计来获得所需加权矢量的估计。这种估计基于最大似然原理,收敛速度较快,但计算量较大。RLS算法假设天线阵信号为数据取样形式,并使用数字处理器调整权值,在每一取样瞬间根据最小二乘准则计算权值的最佳值。它基于递归采样计算协方差矩阵,具有LMS算法和DMI算法的优点,有广泛的应用前景。在FDD系统中,由于上下行链路相隔一定频段,基于时域参考信号的波束形成器无法根据上行链路的权值信息设置下行链路的波束形成器的发射权向量。因此,这类波束形成器常用于TDD系统中。(2)波达角度估计基于信号波达方向的波束形成器适用于信号来向角度扩散较小的情况。这种方法通过直接在干扰方向上形成零陷,在信号方向形成主波束来改善目标信号的接收。其最大的局限性就是要受到阵元数目的限制,即信源数(包括干扰信号)要小于天线数目,而且对同频干扰的抑制能力由信号和干扰来向角的扩展决定。波达角度估计是基于信号波达方向的波束形成器的重要部分。Bartlett波束形成器使波束形成的输出功率相对有用信号为最大,Capon波束形成器使非有用信号来向的干扰功率为最小,同时保持信号方向功率不变,在阵列输出端得到最大信号噪声干扰比。最早的超分辨率波达方向估计方法是著名的MUSIC和ESPRIT方法。MUSIC算法从噪声子空间中估计到达角度,噪声子空间由空间取样信号协方差矩阵的本征矢量确定。ESPRIT算法和MUSIC算法都是基于特征分解法的谱估计算法,由矩阵的特征向量来进行运算,两种估计方法具有相近的方差,但是ESPRIT算法的计算量小于MUSIC算法。不同于基于时域参考信号的波束形成器,基于信号波达方向的波束形成器可用于FDD系统中,上行链路的波达角度估计可以适用于下行链路中。(3)波束形成器的基本原理基于信号结构的波束形成器利用信号的时域或频域的结构特征来构建波束形成器。这类波束形成器无需任何先验信息,因此是一种盲波束形成方法。针对若干恒包络调制信号提出的恒模算法(CMA)是这类波束形成器的一个典型应用。另外,根据信号的周期平稳性,Agee等人提出了SCORE算法,从与有用信号空间特性不同的干扰中分离有用信号;Biedka则提出了改进的SCORE算法,以提高SCORE算法的收敛速度和减小算法的运算复杂度。根据数字调制信号的离散有限符号集特性,Talwar等人提出了三种算法:ILSP算法、ILSE算法和RLSE算法,并且对它们的性能进行了分析。另外有一种波束形成器利用的不是信号本身的特性,而是信道的信号处理模型。与参数化模型不同,信道的信号处理模型是一种非参数化的模型,它与阵列流形无关,因而具有确定的特殊结构。2.4时空二维处理算法智能天线未来的研究有以下几个方面:(1)高效、快速的智能波束形成算法;(2)智能天线中的时空二维处理算法,如时空均衡器、时空最佳接收机、时空最佳多用户检测、结合均衡器的时空发射接收机等;(3)用于移动台的智能天线,研究内容包括多天线的结构,阵元数较少、复杂度低的波束形成算法。3多天线网络通信MIMO(MultipleInputMultipleOutput)系统最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天线来抑制信道衰落。在上个世纪90年代中期,美国贝尔实验室提出了多进多出MIMO技术为代表的多天线通信实验系统,并就其编码技术方案以及信号处理技术进行了全面地阐述。此后,MIMO技术成为无线通信领域研究的热点问题,并取得了迅速发展。3.1mimo技术的试验和实现MIMO通信系统可简单定义为在发射端和接收端分别采用多个天线的通信系统,如图2所示。如图2所示,MIMO技术不同于智能天线,数据在发射端和接收端都要经过相应的联合空时处理,而智能天线在接收端或者发射端进行空域和时域处理。而且MIMO技术的天线阵元之间的距离要尽可能的大,通常取数个波长的间距,使得到达各个阵元的信号能够相互独立,以形成空间分集的效果。3.2mimo系统的基本原理MIMO技术的核心是空时信号处理,也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。该技术的关键是能够将传统通信系统中存在的多径影响因素转变成对用户通信性能有利的增强因素。MIMO技术有效地利用了随机衰落和可能存在的多径传播,在不额外增加所占用的信号带宽的前提下为无线通信的性能带来成倍的改善。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益,目前针对MIMO信道所进行的研究也主要围绕这两个方面。MIMO通信中,空时编码将数据分成多个数据子流在多个天线上同时发射,建立空间分离信号和时间分离信号之间的关系,通过在发射天线间的时域引入编码冗余得到分集增益;空间复用则是将输入数据分成多个子流,每个子流从不同的天线发送出去,在同一频带上使用多个数据通道(MIMO子信道),从而使得容量随着天线数量的增加而线性增加。空间分集增益可以提高信道的可靠性,降低系统误码率;空间复用增益可以大大提高信道容量,而且不需要占用额外的带宽和发射功率。3.3mimo技术研究热点(1)mimo信道的空间相关模型为了更好的使用MIMO技术,必须建立一套适用于MIMO技术的无线信道理论。根据不同的划分标准,MIMO可分为不同的信道模型,例如根据系统带宽将信道分为窄带模型和宽带模型。IEEE802.16固定宽带无线接入和3GPP中,MIMO模型都得到了标准化。MIMO信道有其自身的特点,一般具有一定的空间相关性,需要进一步研究信道的相关性对系统容量的影响。此外,由于MIMO系统中天线阵元之间存在相互干扰,研究在天线阵元之间存在互干扰时的信道估计方法也是目前的热点问题之一。(2)多用户mimo系统早期的研究者大多数集中在点对点MIMO无线链路通信方面,还没有考虑多用户的情况。最近,研究者们将重点转移到多用户MIMO系统。多用户MIMO系统的技术难点在于如何设计发射向量以消除用户间的同信道干扰。而如何在功率受限时最大化系统容量和信息速率,满足每个用户特定的QoS条件下的功率控制等问题还需要进一步研究。(3)空时分层码目前,空时编码基本上有空时分组码(STBC)、空时格状码(STTC)和空时分层码(BLAST)。空时格状码是早期研究的空时编码,能提供分集增益和编码增益,在接收端解码时使用多维Viterbi算法。空时分组码能提供和空时格状码一样的分集增益,但不能提供编码增益。然而,空时分组码的解码过程是线性处理,比空时格状码简单易行。空时分层码能提供空间复用增益,提高数据传输速率,极大提高频谱利用率。1996年,贝尔实验室的Foschini提出了空间复用技术——分层空时码(BLAST:BellLaboratoriesLayeredSpace-Time),1998年贝尔实验室研究出了V-BLAST,实验室的结果已能达到20~40bit/s/Hz的频谱利用率。(4)其他同频域的特性MIMO可以抗多径衰落,但是对于频率选择性深衰落,MIMO系统依然是无能为力。目前解决MIMO系统中的频率选择性衰落的方案一般是利用均衡技术,还有一种是利用OFDM。OFDM是多载波传输技术的一种,其主要思想是将高速的串行数据流变成并行的低速数据流,并调制到每个正交子信道上进行传输。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽,因此可以认为每个子信道经历平坦性衰落,从而可以消除符号间干扰。OFDM的各子载波(子信道)在频域相互重叠,提高了频谱利用率,而且可以有效地抵抗频率选择性衰落。在OFDM的基础上合理开发空间资源,形成MIMO-OFDM技术,可以提供更高的数据传输速率和频谱利用率,是4G的候选技术之一,也被视为下一代高速无线局域网的核心技术。4无线信号传输多天线分集技术是改善信道衰落对传输性能的影响,以较低的成本提高无线通信的性能,可分为微分集技术和宏分集技术。微分集采用间隔数个波长的多天线结构,宏分集则利用不同基站的天线或分布式天线。分集技术是在空间上合并同一个信号经过多个不相关信道传输后的信号副本,利用某种合并准则确定加权系数,使接