MIMO系統(tǒng)中的天線選擇技術

摘要：MIMO系統(tǒng)是無線通信領域的研究熱點，他能夠極大地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。然而使用多個射頻的MIMO系統(tǒng)增加了天線的體積、功率和硬件，從而增加了成本。因此尋找具有MIMO天線優(yōu)點且低價格、低復雜度的最優(yōu)天線選擇極具吸引力�？偨Y了天線選擇的方案、介紹了兩類關鍵實現(xiàn)算法和最新研究進展，并在性能上進行分析比較，最后指出了該技術的實際應用問題。

關鍵詞：MIMO；天線選擇；空時編碼；無線通信

引言

隨著無線通信的迅猛發(fā)展，人們對無線通信業(yè)務的類型和質量的要求越來越高。在當前頻譜資源下提高通信速率和可靠性的辦法之一就是使用多個發(fā)送和多個接收天線，也就是多輸入多輸出(MIMO)的通信系統(tǒng)。由于MIMO系統(tǒng)不可避免地要在發(fā)送端和接收端設置多副天線，導致其射頻鏈路的硬件成本和通信雙方為保持信道的非相關性所需空間的局限性(尤其是移動終端)，以及天線數(shù)目的增加導致的空時碼編解碼的復雜性都在一定程度上限制了MIMO系統(tǒng)的應用，因此如何才能做到既要保持多天線系統(tǒng)較高的頻譜效率和較高的可靠性，又要降低系統(tǒng)的復雜度和成本已逐漸成為人們的研究熱點。目前，一種較有前景的技術就是在發(fā)送端或者接收端進行天線選擇，用以克服MIMO系統(tǒng)的上述缺點。

天線選擇方案

最優(yōu)天線選擇準則可分為2種：(1)以最大化多天線提供的分集增益提高傳輸質量；(2)以最大化多天線提供的容量來提高傳輸效率。一般來說，天線選擇既可以在發(fā)送端進行，也可以在接收端進行，或者收發(fā)兩端同時進行，他們對MIMO系統(tǒng)的性能影響不同，因此要視具體情況而定。

接收天線選擇
   
　　接收天線選擇與RAKE接收提供的類似，接收機可收到發(fā)送信號的幾個版本，每個都經(jīng)歷了不同的復數(shù)衰落系數(shù)和噪聲。假接收機有N個接收天線，要從N個天線選擇n個接收，經(jīng)過空間復用恢復原始數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　使用接收天線選擇的MIMO系統(tǒng)

接收信號的分集合并方法主要有3種：

選擇分集　選擇來自SNR最高的路徑信號進行檢測；

最大比合并(MRC) 　基于路徑信號的最佳線性組合進行判決；

等增益合并(EGC)　簡單地將各條路徑的信號相加。

當n=1時，即接收端只有一個RF分支，但為了進行最佳選擇需要知道所有支路的SNR。解決此問題    的方法之一是，基于信道增益的準靜態(tài)性，在發(fā)送數(shù)據(jù)前綴使用訓練序列，通過掃描天線，尋找信    道增益最高的天線，選擇他來接收下一個數(shù)據(jù)。

當n≥2時，接收機的RF鏈路不止1條，可以選擇接收天線的一個子集然后進行信號合并，稱為廣義選擇。選擇路徑的合并可以通過MRC或EGC進行，其中MRC具有更好的性能，但是算法較麻煩，而EGC比較簡單，但效率較低。

發(fā)送天線選擇

對一發(fā)送天線選擇系統(tǒng)，假定從m個RF鏈和M根發(fā)天線(M>m)，接收端只有一根收天線。要從M根發(fā)天線中選擇最合適的m根天線。天線的選擇是在接收端進行的，通過信道估計獲得信道準確信息，選擇信道增益最佳的m個發(fā)送天線，再通過反饋鏈路通知發(fā)送端，如圖2所示。

圖2　使用發(fā)送天線選擇的MIMO系統(tǒng)

與收天線選擇不同，需要從接收端到發(fā)射端的反饋路徑。反饋速率很小，尤其是使用單天線選擇時，除了這個差別以外，發(fā)天線選擇和收天線選擇很類似，選擇提供最高接收SNR的天線。要求發(fā)射機不僅知道m(xù)根最合適的天線，而且需要知道從每根發(fā)天線到接收機的復值信道增益。當發(fā)射機知道信道信息，可以得到一些額外的容量。當發(fā)射機完全知道所有的信道系數(shù)，信道容量將得到最大，即有信道狀態(tài)信息(CSI)的無線信道容量比沒有CSI的要高。

收發(fā)聯(lián)合選擇

收發(fā)聯(lián)合選擇是在發(fā)射端和接收端同時應用選擇分集。如有M根發(fā)天線，N根接收天線，發(fā)送和接收端分別有m和n個RF鏈�？偟男诺谰仃嘓=M×N，選擇天線的信道矩陣為H′=m×n。通常要使用空時碼進行分集，如圖3所示。

聯(lián)合發(fā)送/接收選擇機制必須選擇的行和列形成子集，最大化發(fā)收信道增益的幅度平方和，不易實現(xiàn)。

天線選擇實現(xiàn)算法

天線選擇實現(xiàn)算法很多，但一般可歸納為兩類：分集最大化的空時分組編碼算法和信道容量最大化的空間多路復用算法。

    
    圖3　使用聯(lián)合收發(fā)天線選擇的MIMO系統(tǒng)

分集最大化的空時分組編碼算法

對發(fā)射天線進行有效配置和使多元發(fā)射天線的分集達到最佳的一組方案稱為空時編碼，他結合了信道編碼和多發(fā)射天線，通過空時碼后的數(shù)據(jù)被串并轉換成m個數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過編碼調制，通過m天線同時發(fā)送到信道。接收端通過最大似然檢測方法，正確識別發(fā)送信號�？蓪⒖諘r譯碼算法和信道估計技術結合從而獲得分集增益和編碼增益。

空時格碼STTC(Space —Time Trellis Code)是由Tarokh首先提出，他是在時延分集的基礎上與TCM編碼結合得到的，是一種改進的傳輸分集方式，適用于多種無線信道環(huán)境。STTC的頻帶利用率不隨天線數(shù)目增加而增加，他的譯碼復雜度隨分集增益和頻帶利用率呈指數(shù)增長�？諘r格碼的最優(yōu)設計是最大化任意兩個碼字矩陣之間的歐氏距離，如何設計一個好的碼字也是一個難點。近年來有不少研究工作，以改進最初的STTC的性能，主要集中在新碼字的構造，搜索不同的卷積STTC系統(tǒng)，或是對最初設計標準的改進。但是，這些方法都只能獲得邊緣增益，不能大量提高增益。

空時分組碼STBC(Space— Time Block Code)是由Alamouti提出的，他使用2根發(fā)射天線，接收端使用最大似然譯碼，由于使用線性處理，復雜度較低，在3G中的WCDMA和CDMA2000都采用這種簡單的傳輸分集方案。STBC的一個特點是各根天線發(fā)射的信號是正交的，滿足正交性的STBC可以獲得最大的分集增益，但是以編碼增益和部分頻帶利用率為代價得到的，也可以犧牲正交性來獲得速率為1b/s的碼字(N>2)。

分層空時碼LSTC(Layer —Space Time Code)是Foschini提出的一類空時碼。其基本原理是將輸入的信息比特流分解為多個比特流，獨立地進行編碼、調制，然后映射到多根發(fā)射天線。接收端利用各個子信道因多徑衰落而產(chǎn)生的不同特性來提取信息。根據(jù)信源消息與發(fā)射天線之間的映射關系，可以將LSTC分為水平、垂直和對角3類。LSTC在解碼時只利用了信道信息，性能在很大程度上依賴于信道的衰落環(huán)境和對信道衰落特性的估計。雖然LSTC的頻帶利用率較高，但是以部分分集增益為代價換來的。LSTC要求接收天線至少等于發(fā)射天線數(shù)，這在實際中是一個難題。

STBC采用正交結構，譯碼采用最大似然譯碼，復雜度較低；STTC采用維特比譯碼，復雜度較高，但能夠實現(xiàn)在性能與復雜度之間的最佳平衡；LSTC譯碼前先進行包括干擾抑制和干擾抵消的分離操作，分離后的信號再由一維分量碼開發(fā)的卷積譯碼算法，復雜度對于最大似然譯碼要小得多，但LSTC接收機的復雜度將隨著數(shù)據(jù)率的增加而線性升高。

目前很多學者在從事MIMO系統(tǒng)中空時碼編碼的研究，如采用組合卷積碼和時空分組碼進行天線選擇，分析了一定衰落信道系統(tǒng)誤比特率的特性，在編碼器復雜度相同的情況，提高系統(tǒng)性能。針對移動臺快速移動時，接收端進行信道估計十分困難，Hochwald提出了酉空時碼，即在接收端不需要信道估計的酉空時碼，以及Hochwald在此基礎將酉空時碼推廣，提出一種差分空時碼；隨著對Turbo碼和低密度碼研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)采用級聯(lián)碼和迭代譯碼可以更接近Shannon限。所以，現(xiàn)在有不少級聯(lián)空時碼的研究成果，文獻[3]提出了一種并行級聯(lián)迭代空時碼，這種形式的級聯(lián)空時碼在很大程度上提高了空時碼的性能，但是由于引入了級聯(lián)和迭代譯碼，譯碼復雜度變得更高，實現(xiàn)起來比較困難。如何構造復雜度較低的級聯(lián)空時碼是一個很重要的研究方向。

信道容量最大化的空間多路復用算法

可以認為空間多路復用是一類特殊的空間分組碼。實現(xiàn)空間復用增益的算法主要有貝爾實驗室的VBLAST算法、ZF迫零算法、MMSE最小均方誤碼算法、ML最大似然算法。

VBLAST是一種可以實現(xiàn)空間復用增益的算法，1998年由Foschini和G.Golden提出。該算法不是對所有的發(fā)送信號一起解碼，而是首先對最強的信號解碼，然后在接收到的信號中減去這個最強的信號，再對剩余信號中的最強信號解碼，再減去這個信號，這樣依次進行，直到所有的信號都被譯出。該算法復雜度和譯碼性能綜合考慮下一種最優(yōu)的譯碼算法。

ML最大似然法，也稱為最佳譯碼法，他是指接收機把可能發(fā)送信號的所有組合與觀測值進行比較，具有很好的譯碼性能，但是復雜度比較大，對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。最近提出了這個算法的很多改進形如球形譯碼。

ZF迫零檢測法，是一種線性接收方法，直接使用矩陣擬變換，簡單容易實現(xiàn)，可以很好地分離同頻信號，但是需要有較高的信噪比才能保持較好的性能，在某些隨機衰落環(huán)境下，信道矩陣可能變成“病態(tài)”，這時會得到很差的效果。

MMSE可以使由于噪聲和同頻信號相互干擾造成的錯誤最小，盡管他降低了信號分離的質量，但具有較好的抗噪性能。

近年來，提出了這些算法的改進型，如使用聯(lián)合ML和STBC的空間多路復用(MLSTBC)，在低SNR時效果較好。隨著天線的增加，分集效果趨于穩(wěn)定，而空間多路復用的數(shù)據(jù)速率增益與天線數(shù)保持線性關系。因此，當天線數(shù)目較多的時候，最好把大部分天線用于空時復用上，而把少部分天線用于空時編碼，通過天線選擇，保持較大的系統(tǒng)增益。

天線選擇的實際應用問題

信道建模與估計

目前對天線選擇的研究是在一定信道狀態(tài)信息(CSI)條件下進行，即發(fā)送天線選擇時在發(fā)射機端或在接收天線選擇在接收端均需要了解一定的CSI。而實際上在接收端無線傳播環(huán)境中是不可能知道信道沖激響應的，因此要進行信道估計。在3GPP會議中，由朗訊、諾基亞、西門子和愛立信公司聯(lián)合提出了標準化MIMO信道的建立。推薦的信道建模方法有基于相關的方法和基于子徑的方法。但對于如何實現(xiàn)沒有達成共識。到目前為止ITU還沒有統(tǒng)一的MIMO信道模型。

射頻開關的實現(xiàn)

現(xiàn)在的技術很難實現(xiàn)射頻RF開關。目前生產(chǎn)的開關有轉換損耗，必須通過在發(fā)射機的放大器中使用更大的發(fā)射功率，在接收端使用更敏感的低噪聲放大器來補償，這會抵消天線選擇帶來的好處。

算法的實現(xiàn)

天線選擇可以減少硬件的復雜度和成本，獲得分集增益或提高系統(tǒng)容量，但這些都是以計算復雜度為代價的。在MIMO中使用信道估計和天線選擇算法都會增加復雜度。如最佳天線選擇基于接收信號的SNR，但是在實際中很難使用包絡檢波器檢測出SNR最高的信號。如聯(lián)合發(fā)送/接收選擇方案中，連續(xù)選擇最好的接收機，然后選擇發(fā)射機并不一定會得到總的最佳選擇。實際上，除了耗盡搜索，現(xiàn)在還沒有更好的聯(lián)合收發(fā)天線選擇方案。

天線問題

天線的數(shù)目和天線之間的距離是一個關鍵問題。在基站上安裝大量天線，還會帶來環(huán)境上的問題。因此，一般將天線的數(shù)目限于一個中等的值，如4根天線，天線之間的距離為10λ。選用比較大的距離是因為基站一般建在比較高的位置，并不能保證可以抵消相關衰落。在基站使用雙極性天線，4根天線距離為115m(10λ)就可以。對終端，1/2λ的間距可以保證相當?shù)牟幌嚓P衰落。這些天線可以嵌入到筆記本電腦中，然而，對手機而言，安裝2根天線也是一個問題。因為手機的發(fā)展趨勢是將天線內置，以改進手機的外觀，這使得對間距的要求更嚴格。

天線選擇還存在幾個未解決的問題，如天線選擇的碼字設計和分析；最佳聯(lián)合發(fā)送和接收天線選擇問題；在接收端沒有信道信息時，天線選擇的性能評估等。