論移動通信系統中關鍵技術智能天線與MIMO

王剛

摘 要 智能天線與MIMO技術都是廣泛應用于下一代移動通信中的多天線技術，這兩種技術的原理差異非常大，二者各有優勢，智能天線在多徑效應較輕情況下性能較好，MIMO在多徑效應較重情況下性能較好，如何使兩種技術同時在系統中被使用，在不同場景下都能獲得較佳性能是一個非常關鍵的問題。本文在介紹智能天線與MIMO技術的基礎上，最后提出了相應的融合機制。

關鍵詞 智能天線 MIMO 融合機制

1 引言

隨著全球移動通信的不斷發展，移動用戶的日益增多，現一代移動通信網絡資源已經變的非常有限。如何的利用有限的帶寬資源，已經成為現在已經成為了移動通信領域中一個熱門話題。智能天線可以滿足服務質量和擴充容量的需要。移動通信中另一個難于解決的問題的如何克服多徑干擾。在傳統的SISO系統中多徑干擾始終存在并到現在為止沒有找出很好的克服方法。于是MIMO 的研究成為現在通信領域的熱點。如果智能天線與 MIMO 技術結合使用，更加會開發空域在移動通信中的巨大潛力。必定能很好的解決系統容量擴充問題與抗多徑干擾問題，改善通信質量增大系統容量。

智能天線技術可以提高接收信號的信干比和小區的用戶容量，自提出以來就深受業內關注，已經被TD-SCDMA標準采用，國際電聯也明確將它作為第三代及以后移動通信技術發展的主要方向。MIMO技術可以提高系統的信道容量提高信息傳輸速率，因此該技術已成為4G的關鍵技術之一。MIMO和智能天線都是4G的關鍵技術，如果我們可以將二者有機地結合起來，就可以大大提高4G系統的性能，使得通信終端在更高的移動速度下實現可靠傳輸，因此如何把MIMO和智能天線技術結合起來加以應用非常值得探討。

2 智能天線和MIMO技術分析

MIMO和智能天線都屬于多天線系統中的技術，這兩種技術既有共性又有顯著區別，憑借在提高頻譜利用率方面的卓越表現，MIMO和智能天線共同成為了下一代移動通信系統發展中炙手可熱的新技術。

2.1 智能天線技術

智能天線技術可用于多天線系統中，但它與以往天線分集有著很大的區別。智能天線利用數字信號處理技術，采用了先進的波束轉換技術和自適應空間數字處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準用戶信號到達方向，旁瓣或零陷對準干擾信號到達方向，達到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術，即用于MISO系統和SIMO系統。一個典型陣列天線接收系統如圖1所示。系統由三部分組成：實現信號空間過采樣的天線陣列，對各陣元輸出進行加權合并的波束成型網絡，更新合并權值的控制部分。這其實是智能天線用作接收天線時的結構，當用它進行發射時結構稍有變化，加權器或加權網絡置于天線之前，也沒有相加合并器。由于智能天線能顯著提高系統的性能和容量，抑制干擾信號并增加了天線系統的靈活性，未來幾乎所有先進的移動通信系統都將采用該技術。

2.2 MIMO技術

多輸入多輸出（MIMO）技術通過空間復用，使頻譜效率得以成倍提高?？諘r編碼技術正是在此基礎上發展起來的一種新的編碼和信號處理技術，它將信道編碼技術與陣列處理技術相結合，大幅度地提高無線通信中的系統容量和傳輸速率。MIMO系統是指發射端與接收端都有多個天線的通信系統，如圖2所示MIMO技術可以視為智能天線技術的一種擴展。但是傳統的智能天線的智能體現在天線加權選擇算法上，而MIMO系統強調的是信號的編解碼處理。MIMO系統與智能天線的不同在于它能夠同時獲得發送和接收分集增益。

MIMO無線通信技術的概念是在任何一個無線通信系統，只要其發射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構成了一個無線MIMO系統。MIMO無線通信技術采用空時處理技術進行信號處理，在多徑環境下，無線MIMO系統可以極大地提高頻譜利用率，增加系統的數據傳輸速率。MIMO技術充分開發空間資源，利用多個天線實現多發多收，在不需要增加頻譜資源和天線發送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

2.3 MIMO和智能天線技術的比較

MIMO和智能天線技術都用于多天線系統，但是兩者又有本質的區別。

從原理上看，智能天線利用到達天線陣的信號之間完全相關性形成天線方向圖，它關鍵能實現信號的定向發送和接收；而在MIMO中天線收發信號是全方位的，并且到達天線陣的信號必須相互獨立，用多個天線接收信號來克服信號到達接收機的空間深衰落，增加分集增益。

從天線結構上看，兩種技術都可以使用多天線，智能天線通過反饋控制方式連續調整天線的方向圖，天線陣元間距一般取1/2波長，因為陣元間距過大會減小接收信號彼此的相關程度，太小則會在方向圖上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系統中，天線單元之間的間隔必須為多個波長一般為10～15波長，以確保到達天線陣各個單元的信號是互不相關的。

從多天線系統來看，傳統的智能天線是指僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術，即用于MISO系統和SIMO系統，而MIMO只應用在MIMO系統中。

3 MIMO和智能天線技術的融合

MIMO技術實質上為系統提供空間復用增益和空間分集增益。MIMO通信中，空間復用是將輸入數據分成多個子流，每個子流從不同的天線發送出去，在同一頻帶上使用多個MIMO子信道，從而使得容量隨著天線數量的增加而線性增加。如果在發射端和接收端之間安裝多個天線，只要天線之間的距離足夠遠，就可以認為在發射端和接收端之間建立了多條獨立同分布的空間信道，從而在空域引入了冗余，實現空間分集。設發端Nt根天線，收端Nr根天線，當發射天線間距大于等于10λ，接收天線間距大于等于λ/2，就可以近似認為每對收發天線之間的傳播路徑相互獨立，這樣就在收發天線陣之間建立了從NtxNr條獨立同分布的傳播路徑。

如果將智能天線與MIMO技術相結合，那么我們的期望是所形成的系統不但能提供智能天線技術所帶來的天線增益，還應帶來提高系統傳輸質量的分集增益。在智能天線技術基礎上，如果要獲得分集增益，在陣元之間尋求這種可能性是不現實的做法，因為陣元間距λ/2，彼此之間存在很強的相關性。那么要弱化相關性，可以從以下兩個方向著手：空間，極化。

空間分集，此時要將天線盡量拉開距離，以滿足較低的衰落相關性。衰落相關性依賴于天線間距和角度擴展，角度擴展即角度分布的標準差。對于戶外系統來說，基站端的角度擴展可能僅僅為幾度，所以天線的水平間距為10λ-20λ是必須要滿足的條件。因此，我們在分析性能時，存在將等效MIMO的平均間距設為10λ的情況。

極化分集，可以采用兩個相互垂直的極化方向來滿足較低的衰落相關性，例如水平極化和垂直極化。這些正交極化后的天線陣元彼此間的相關性很小，而且組合成的天線體積會相應縮小。

MIMO和智能天線技術結合的關鍵是如何能在同一個系統中同時采用兩種技術。下面我們設計一個系統，同時能支持這兩種技術。本文給出了一種方案，使這兩種技術求同存異，在一個系統中共存。

上文比較這兩種技術的異同點可以看出，MIMO和智能天線技術共存的主要障礙是天線結構：智能天線要求天線間距取1/2λ，并且用于SIMO和MISO系統；而MIMO要求天線間距為數個波長，并且只用于MIMO系統。本文給出的方案很好地解決了這個問題，整個系統的結構如圖2所示。

圖3所示的拉遠分組天線陣列中所有天線陣元均為垂直極化，但分成兩組，每組天線陣列內各有4個天線陣元，每組天線陣列內的天線陣元間距保持傳統智能天線采用的半波長間距λ/2，這樣每組天線陣列內的天線陣元間具有很強的相關性。但兩組天線陣列通過空間距離來換取MIMO應用所依賴的不相關性或弱相關性，即將兩組天線拉遠至4λ—l0λ。

圖4所示的雙極化分組天線陣列中，每組天線陣列內的天線陣元間距保持傳統智能天線采用的半波長問距λ/2，但組問采用不同極化方式，如圖2（b）所示一組天線陣列內陣元均采用+45。極化，而另一組天線陣列內陣元均采用-45。極化，這樣每組天線陣列內的天線陣元間具有很強的相關性。但兩組天線陣列通過不同的極化方式來換取MIMO應用所依賴的不相關性或弱相關性。這樣的天線陣列的尺寸僅為不到原天線陣列的一半，在尺寸方面有著較好的優勢。

顯然，上述天線結構均基于天線分組的思想，只是天線分組間的不相關性或弱相關性的獲得方式不一樣，但這也導致了這兩種天線具有不同的物理結構和各自的優缺點。拉遠分組陣列較極化分組天線陣列而言，沒有正交極化天線理論上存在的極化損失，但正交極化天線分組可以具有更小的尺寸，更有利于工程實施。

結束語：如今智能天線和MIMO在各自領域都有著廣泛的應用并且分別發著揮極其重要的作用，它們的應用都為解決無線通信中存在的各種難題做出了巨大的貢獻。但是，如何將MIMO 與智能天線結合，充分發揮他們各自優勢，仍然是無線通信領域研究的熱點。將MIMO 與智能天線結合，必然能大大改進無線通信質量，增加系統容量，為我們日益繁忙的高速信息生活提供更高質量的服務。

參 考 文 獻

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