無線通信智能天線技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

摘要　介紹了智能天線收發(fā)機結(jié)構(gòu)的最新進展及其優(yōu)點，探討了無線通信智能天線技術(shù)的未來發(fā)展趨勢以及所面臨的問題。

關(guān)鍵詞　智能天線　無線通信　分集　波束成形

1、引言

　　智能天線原名自適應(yīng)天線陣列(AAA，Adaptive Antenna Array)。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達、抗干擾通信、定位及軍事通信方面等，完成空間濾波和定位功能。近年來，隨著移動通信的發(fā)展以及對移動通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境下的移動通信。為此，移動通信研究者給應(yīng)用于移動通信的自適應(yīng)天線陣起了一個較吸引人的名字——智能天線　(英文名為Smart Antenna或Intelligent Antenna)。

　　智能天線系統(tǒng)在無線鏈路的發(fā)射端和/或接收端帶有多根天線，為了利用移動無線信道的空間特征，智能天線系統(tǒng)中的信號都進行了自適應(yīng)處理。根據(jù)信號處理是位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術(shù)被定義為多入單出(MIS0，Multiple Input Single Output)、單入多出(SIM0，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)。充分利用空間維數(shù)可以增加無線網(wǎng)絡(luò)的容量。

　　在無線通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾乎所有先進的無線通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù)。智能天線技術(shù)對無線通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢是目前任何技術(shù)難以替代的。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為無線通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。

　　到目前為止，無線系統(tǒng)中的智能天線都被作為增強技術(shù)，在它們的設(shè)計階段都沒有考慮復(fù)雜度和性能折衷的優(yōu)化；而在下一代無線系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)將是系統(tǒng)設(shè)計固有的部分。目前對于智能天線的研究主要集中在下列幾個方面：

　　(1)高級智能天線處理算法的設(shè)計和開發(fā)，該算法對變化的傳播特性和網(wǎng)絡(luò)條件具有適應(yīng)性和健壯性。

　　(2)系統(tǒng)性能的優(yōu)化策略和不同無線系統(tǒng)、平臺之間的透明操作。

　　(3)根據(jù)信道和干擾模型對提出的算法和策略進行實際性能的評估，研究合適的性能度量和仿真方法。

2、智能天線收發(fā)機結(jié)構(gòu)

　　在如圖1所示的一個多發(fā)射多接收天線系統(tǒng)中，發(fā)送的數(shù)據(jù)塊需要進行編碼和復(fù)星座圖的映射。在空時加權(quán)后，每個符號被映射到一個發(fā)射天線；信號通過無線信道后，在接收天線中首先進行解復(fù)用，然后通過加權(quán)、解調(diào)、解碼來恢復(fù)最初的發(fā)送數(shù)據(jù)。


圖1　智能天線收發(fā)機結(jié)構(gòu)

　　對于MISO或者MIMO信道，一些文獻中給出了大量的發(fā)射機制，這些機制分別可以使頻譜效率最大、速率最高、信噪比最大(SNR，Signal to Noise Ratio)，它們都依賴信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)在發(fā)射端和接收端的已知程度。CSI在接收端通過信道估計可以獲得，然后通過反饋可以通知發(fā)射端。然而，對于頻分雙工(FDD，F(xiàn)requency Division Duplex)系統(tǒng)則必須考慮到信道的互易性。信道估計可以通過發(fā)射訓(xùn)練序列方法或者盲估計來獲得。盲估計通常是利用接收到的信號的一些特性，比如恒定包絡(luò)和有限字符等進行估計。

　　對于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機制，可以通過引入空域編碼或者采用空間復(fù)用增益來利用空間維數(shù)�？沼蚓幋a方法是通過增加空間和時間的冗余度；空時編碼則是在不同的天線上發(fā)射同一信號的編碼冗余形式。接收到的信號通過最大似然(ML，Maximum Likelihood)譯碼器進行檢測。最早的空時編碼是空時格碼(STTC，Space-Time Trellis Code)，在這種方式下，接收端需要多維維特比算法。STTC可以提供的分集等于發(fā)射天線的數(shù)目，提供的編碼增益取決于碼字的復(fù)雜度而無需犧牲帶寬效率�？諘r分組編碼(STBC，Space-Time Block Code)可以提供與STTC相同的分集增益，但是它沒有編碼增益。又由于STBC在譯碼時只需要線性處理，因此通常都使用STBC。用于兩根發(fā)射天線的STBC碼(由Alamouti提出的)已經(jīng)被第三代移動標(biāo)準(zhǔn)采納�？諘r編碼技術(shù)一般假設(shè)CSI在接收端是完全已知的，當(dāng)CSI在兩端都未知時，人們提出了酉空時編碼和差分空時編碼。

　　分層空時結(jié)構(gòu)通過在水平層上或者對角層上發(fā)送獨立的編碼數(shù)據(jù)流來獲得空間復(fù)用增益。所謂的垂直貝爾實驗室分層空時(V-BLAST，Vertical Bell Labs Layered Space-Time)編碼就是這種結(jié)構(gòu)。為了檢測出發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收機必須對空間信道進行解復(fù)用，為此出現(xiàn)了各種不同的方法，如迫零(ZF，Zero Forcing)方法、最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)方法和最大似然(ML，Maximum Likelihood)方法。ZF方法利用了矩陣的逆，算法比較簡單，但是性能通常不好；MMSE算法的性能要優(yōu)于ZF，而且具有健壯性；ML方法是最優(yōu)的，但是復(fù)雜度也最高，尤其是當(dāng)收發(fā)天線數(shù)目很大時。

　　在大多數(shù)情況下，假設(shè)CSI的部分信息在發(fā)射端已知是合理的，因而就此提出了空時編碼和波束成形相結(jié)合的混合機制。這些預(yù)編碼在優(yōu)化某個標(biāo)準(zhǔn)時都利用了有效的CSI。

　　在SIMO或者MIMO通信鏈路的接收端，接收機或者均衡器利用多徑信號重構(gòu)發(fā)射信號。在非頻率選擇SIM0信道下，最優(yōu)接收機制是進行最大比合并(MRC，Maximum Ratio Combining)；而對于頻率選擇SIMO信道，最優(yōu)接收機制是ML檢測，但它是非線性的，其復(fù)雜度與天線數(shù)目成指數(shù)關(guān)系(可以用線性譯碼器來代替，但是性能會有所下降)。ZF均衡器通過信道的逆可以消除符號間干擾(ISI，InterSymbol Interference)，但是其代價是對噪聲產(chǎn)生了放大。MMSE接收機可以在噪聲放大和ISI消除之間進行折衷�；�于判決反饋的一種次優(yōu)非線性機制判決反饋均衡(DFE，Decision Feedback Equalizer)可以用于改善線性均衡器的性能，它通過反饋濾波器將以前符號產(chǎn)生的部分ISI從目前的符號中消除。ML和線性均衡都可以擴展到MIMO信道中，與MIMO接收機相關(guān)的問題就是多流干擾(MSI，Multistream)的存在。MSI會導(dǎo)致多個數(shù)據(jù)流之間的相互干擾。非線性連續(xù)抵消均衡器或者V-BLAST均衡器可以將MIMO信道轉(zhuǎn)換成一些并行信道，但是該機制可能存在差錯傳播現(xiàn)象。

　　在多用戶情況下，由于基站與共享有效資源(頻率、時間、碼字等)的多個用戶進行通信，因而此時設(shè)計智能天線是有一定難度的，因為它的目的是要優(yōu)化干擾的影響，而這些干擾主要依賴采用特定的多址方式。

　　下面介紹在多用戶MIMO系統(tǒng)中，CSI在基站已知時的幾種線性和非線性處理技術(shù)。Tomlinson-Harashima預(yù)編碼是一種非線性預(yù)編碼機制，它最初應(yīng)用于SIS0多徑信道，用于克服DFE產(chǎn)生的差錯傳播問題。

　　塊對角化(BD，Block Diagonalization)是多用戶MIMO系統(tǒng)中的一種線性預(yù)編碼技術(shù)。它把多用戶MIM0下行信道分解為多個并行獨立的單用戶MIMO下行信道。對于信道估計差錯，BD比非線性技術(shù)具有更好的健壯性。在發(fā)射端發(fā)射的每個用戶的信號都用一個調(diào)制矩陣表示，該矩陣是其他用戶信道矩陣的零空間，這樣該用戶對其他用戶的干擾就是零。在每個用戶獲得任意速率的約束下，為了得到所需發(fā)射功率最小解的封閉形式，零干擾條件可以放寬，這種算法稱為連續(xù)優(yōu)化(SO，Successive Optimization)算法，它比在低SNR時任何其他BD解的性能都好。

　　描述智能天線收發(fā)機特征的性能度量為均方誤差(MSE，Mean Square Error)、SNR、誤比特率(BER，Bit Error Rate)、可達吞吐量、需要的發(fā)射功率和信道容量。發(fā)射和接收機制都是根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)進行優(yōu)化的。

　　總之，設(shè)計MIMO收發(fā)機要特別關(guān)注以下4個關(guān)鍵參數(shù)：

　　(1)在發(fā)射端和接收端CSI的可靠性。

　　(2)發(fā)射信號的特征(調(diào)制、復(fù)用和訓(xùn)練信息)。

　　(3)要優(yōu)化的性能度量。

　　(4)計算復(fù)雜度的大小。

3、智能天線的優(yōu)點

　　在移動通信系統(tǒng)中，由于障礙物的反射，信號會在發(fā)射機和接收機之間多次傳播從而形成多徑傳播。這是移動通信中存在的主要問題，被稱為時延擴展(delay spread)。由于多徑信號到達接收機的時間不同，因此多徑傳播將導(dǎo)致符號間干擾，這將會嚴(yán)重地影響通信鏈路的質(zhì)量。另一方面，共信道干擾是無線系統(tǒng)容量的主要限制因素，它將影響用戶對有效網(wǎng)絡(luò)資源(頻率、時間)的重用。

　　智能天線通過利用多徑可以改善鏈路的質(zhì)量，通過減小相互干擾來增加系統(tǒng)的容量，并且允許不同的天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)。總之，智能天線的優(yōu)點可以歸納如下：

　　(1)增加覆蓋范圍。在接收端由于天線陣列對信號進行相干接收，這樣就會產(chǎn)生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數(shù)目成正比。這樣也會延長電池的使用時間。

　　(2)降低功率/減小成本。智能天線可以對特定用戶的傳輸進行優(yōu)化，這樣就會使發(fā)射功率降低，從而降低放大器的成本。

　　(3)改善鏈路質(zhì)量/增加可靠性。由于通過獨立的衰落路徑可以接收到獨立的信號副本，而在這些信號副本中一般會有一個或者多個副本沒有受到衰落，這樣多個獨立的維數(shù)就會減小信號波動的影響，產(chǎn)生分集。分集的形式包括時間分集、頻率分集、碼分集和空間分集等。當(dāng)用智能天線對空間域進行抽樣時就會產(chǎn)生空間分集。在非頻率選擇性衰落的MIMO信道中，最大的空間分集階數(shù)等于發(fā)射天線數(shù)目和接收天線數(shù)目的乘積。多個發(fā)射天線通過采用特殊的調(diào)制和編碼機制就可以產(chǎn)生發(fā)射分集，而多個接收天線的接收分集取決于對獨立衰落信號的合并。

　　(4)增加頻譜效率。通過不同方法精確地控制發(fā)射功率就會減小干擾，從而增加使用同樣資源的用戶數(shù)目。通過波束成形技術(shù)可以產(chǎn)生一種新的多址接入方式——空分多址(SDMA，Space-Division Multiple Access)。SDMA可以實現(xiàn)資源的重用，增加數(shù)據(jù)速率，從而增加頻譜效率。該增益也被稱為空間復(fù)用增益。通過利用多個獨立的空間維數(shù)來同時傳送數(shù)據(jù)，在MIMO系統(tǒng)中這種獨立的空間維數(shù)被稱為MIMO信道特征模式。在不相關(guān)瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發(fā)天線數(shù)目的最小值成正比。

　　通常設(shè)計智能天線主要集中在上面提到的某一種增益，如波束成形、分集增益、復(fù)用增益。最近這些增益之間的相互折衷已經(jīng)成為研究的焦點。

4、未來無線系統(tǒng)中的智能天線技術(shù)

　　未來無線系統(tǒng)需要可以適用于各種通信環(huán)境的信號處理技術(shù)，因此未來智能天線設(shè)計的初始階段必須認(rèn)真地考慮在性能和復(fù)雜度之間折衷地優(yōu)化。下面，我們將介紹未來無線通信中智能天線的發(fā)展趨勢和會遇到的問題。

　　4.1　物理層的可重配置性

　　為了使無線通信收發(fā)機可以工作在多參數(shù)連續(xù)改變的環(huán)境中，需要在收發(fā)機中采用可重新配置的自適應(yīng)技術(shù)來調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，從而獲得最好的性能。

　　智能天線收發(fā)機中的可重配置性可以看作是在各種不同環(huán)境中收發(fā)機結(jié)構(gòu)的智能切換。例如，已經(jīng)有專家提出了在MIMO信道中用于空間分集和復(fù)用相互折衷的算法。

　　4.2　不同層之間的優(yōu)化

　　通過由OSI(Open System Interconnection，開放系統(tǒng)互連)模型定義的高層之間的相互作用可以提高整個系統(tǒng)的性能。可以通過結(jié)合物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層的參數(shù)來設(shè)計智能天線，也就是說要考慮到各層之間相互關(guān)系來設(shè)計，而不是單獨考慮某一層。實踐表明，單獨考慮一層的設(shè)計方法所得到性能評估是低效的。例如，當(dāng)引入調(diào)度后，通過空時編碼所得到的增益將會減小，甚至?xí)�消失�?

　　在OSI不同層之間交換的信息可以歸類如下：

　　(1)CSI：需要估計出信道脈沖響應(yīng)、定位信息、車載速度、信號強度、干擾強度、干擾模型等。

　　(2)QoS相關(guān)的參數(shù)：包括時延、吞吐量、誤比特率、分組差錯率(PER，Packet Error Rate)等。

　　(3)物理層資源：包括空間處理機制、天線陣列的數(shù)目、電池電量的損耗等。

　　考慮層之間的優(yōu)化準(zhǔn)則是非常重要的。在實際系統(tǒng)中，使用智能天線的鏈路質(zhì)量不僅取決于采用的數(shù)據(jù)檢測方法，而且還取決于特定的編碼機制以及在鏈路層采用的媒體接入控制(MAC，Medium Access Control)功能，甚至取決于高層采用的協(xié)議棧性能。因此，在設(shè)計時應(yīng)該綜合考慮上述因素，而不是單獨考慮某一個因素。對于時延不敏感業(yè)務(wù)，將智能天線技術(shù)如V-BLAST同混合自動請求重復(fù)(H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)機制結(jié)合的前景是非�？春玫摹�

　　4.3　多用戶分集

　　在多用戶通信中，一種叫作機會機制的通信方式得到了人們的重視。其基本思想是通過把信道分配給那些最有可能完成連續(xù)傳輸?shù)挠脩魜韽?fù)用。這樣可以使系統(tǒng)的吞吐量最大化。對于反射空間信道，機會波束成形方法會指向具有最高SNR的用戶；另一方面，在充分散射情況下，機會機制會把信道分配給那些具有最高瞬時容量的用戶。

　　機會機制可以產(chǎn)生多用戶分集，多用戶分集可以是碼分集、時間分集、頻率分集或者空間分集的補充。但是這樣也會帶來新的問題，即影響MAC協(xié)議的設(shè)計，MAC將放棄沖突檢測機制而轉(zhuǎn)向多用戶機制。

　　4.4　實際的性能評估

　　在未來無線系統(tǒng)中，采用智能天線主要依賴下面兩種研究的結(jié)果：

　　(1)在未來系統(tǒng)的設(shè)計階段就要考慮到智能天線的特性，保證兼容性；

　　(2)根據(jù)與未來系統(tǒng)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)來評估智能天線的實際性能。

　　最新發(fā)展趨勢比較偏向前者，后者的研究結(jié)果要基于具有準(zhǔn)確建模的仿真方法，因此若要實現(xiàn)還有一定的難度。

　　4.4.1　仿真方法

　　鏈路級仿真可以提供智能天線收發(fā)機在各種傳播、干擾、調(diào)制編碼情況下單通信鏈路的誤幀率(FER，F(xiàn)rame Error Rate)性能評估，但是無法考慮多用戶多小區(qū)的影響，此時高層的參數(shù)將作為關(guān)鍵角色。另一方面，系統(tǒng)級仿真利用某種業(yè)務(wù)圖樣通過容量、吞吐量、SNR分布來提供整個系統(tǒng)的性能。為了對鏈路級和系統(tǒng)級的仿真進行折衷優(yōu)化，需要在兩者之間有個接口，選擇的接口參數(shù)一定要惟一地描述鏈路級和系統(tǒng)級的性能。

　　4.4.2　建模

　　智能天線的效率取決于通信環(huán)境的特征，比如傳播特性、天線陣列配置、業(yè)務(wù)模式、干擾情況、信號帶寬的有效性。因此，建立一個可行的MIMO信道模型來描述通信環(huán)境的特征是非常重要的。

　　干擾模型通常被用于分析智能天線收發(fā)機的性能。最近的研究表明，干擾模型應(yīng)當(dāng)基于系統(tǒng)級的仿真結(jié)果來建立，其中，必須考慮智能天線技術(shù)對小區(qū)內(nèi)、小區(qū)間的影響，還必須考慮到業(yè)務(wù)的非一致性和混合的業(yè)務(wù)環(huán)境。

　　最后，實現(xiàn)損耗模型的建立，該模型包括信道估計差錯、反饋量化誤差、時延、互耦合等關(guān)鍵參數(shù)，該模型有利于系統(tǒng)的進一步改進。

5、小結(jié)

　　本文給出了智能天線收發(fā)機的結(jié)構(gòu)，討論了智能天線的優(yōu)點和未來智能天線的發(fā)展趨勢，如可重配置性、層間優(yōu)化和多用戶分集技術(shù)等。另外也闡述了設(shè)計中會遇到的問題，比如準(zhǔn)確的建模、恰當(dāng)?shù)姆抡娣椒ǖ取？傊�，合理地使用智能天線技術(shù)將大大地提高未來無線通信系統(tǒng)的性能。