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移動通信中的物理信道必須要占據(jù)一定的時(shí)間、頻率、功率和空間，而這些資源是有限的，并且是所有信道共享的。在頻分多址系統(tǒng)中，主要以頻率的不同劃分不同的信道；在時(shí)分多址系統(tǒng)中，在頻率分開的基礎(chǔ)上，又在時(shí)間上劃分出了許多信道；碼分多址系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，其本質(zhì)是許多信道共享功率資源，而區(qū)分這些信道的是PN碼。時(shí)間、頻率和功率資源可以看作是一維的資源，其分離可以在一根坐標(biāo)軸上表示，業(yè)界對這些資源的利用已經(jīng)非常成熟。而空間資源是一種二維的甚至是三維的資源，真正充分利用空間資源的技術(shù)難度也相應(yīng)較大。從無線通信發(fā)展初期到現(xiàn)在，雖然大家越來越重視開發(fā)利用空間資源，但到目前為止，在空間資源方面仍然還有很大的潛力可挖。本文主要介紹了各種空間資源利用技術(shù)，包括相對簡單的蜂窩結(jié)構(gòu)、小區(qū)分裂、空間接收分集，到相對復(fù)雜的空間分集發(fā)射、MIMO天線和空時(shí)編碼、智能天線等前沿技術(shù)。
蜂窩結(jié)構(gòu)和小區(qū)分裂
在無線通信發(fā)展之初，通常只有一個(gè)地面站覆蓋整個(gè)城市，即大區(qū)制移動通信系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的發(fā)射功率很大（50～200W），覆蓋半徑可達(dá)30～50km，但是系統(tǒng)容量很小，一般只能同時(shí)容納幾十個(gè)到幾百個(gè)用戶。
隨著系統(tǒng)容量需求和有限頻譜資源的矛盾日益突出，出現(xiàn)了小區(qū)制蜂窩覆蓋技術(shù)。蜂窩技術(shù)在平面空間上劃分許多正六邊形的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)架設(shè)覆蓋該小區(qū)的天線，在空間上相隔一定距離的各個(gè)小區(qū)進(jìn)行頻率復(fù)用，從而提高了頻率利用率。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)組網(wǎng)靈活，可以基本實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋。這是無線通信利用空間資源的一個(gè)里程碑。
隨著移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，移動用戶數(shù)也不斷增加，蜂窩移動通信系統(tǒng)容量也很快達(dá)到飽和，而且各個(gè)小區(qū)的用戶密度不相等。特別是在城市環(huán)境中，用戶密度較大，原來的蜂窩系統(tǒng)容量不能滿足需求。最簡單的方法就是進(jìn)一步把蜂窩劃分得更小，進(jìn)一步提高頻率復(fù)用程度，這就是小區(qū)分裂。小區(qū)分裂的方式有許多種，一種常用的方式是在原小區(qū)的基礎(chǔ)上，用定向天線代替全向天線，將全向覆蓋的小區(qū)分裂成定向覆蓋的小區(qū)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加新的基站。工程中大量采用的是把一個(gè)全向小區(qū)分成3個(gè)120°覆蓋的扇形小區(qū)。常見的還有分成6個(gè)60o扇形小區(qū)的方案、將原正六邊形小區(qū)分裂成3個(gè)新的正六邊形小區(qū)的1:3方案。還有一種辦法就是在適當(dāng)?shù)胤皆黾有碌幕�，一般是把原來的小區(qū)分裂成4個(gè)半徑縮小一半的六邊形小區(qū)。當(dāng)用戶數(shù)繼續(xù)大量增加時(shí)，可以組合使用上面的方法進(jìn)行二次小區(qū)分裂。如形成1×6×3方式，1×3×4方式。通過小區(qū)分裂的不斷進(jìn)展，一些原來由宏蜂窩覆蓋的區(qū)域由許多微蜂窩或微微蜂窩覆蓋，或者由大小不同的蜂窩同時(shí)覆蓋，從而出現(xiàn)了分層蜂窩結(jié)構(gòu)。
小區(qū)分裂盡量在空間上增加頻率的復(fù)用效率是移動通信擴(kuò)容的一項(xiàng)重要技術(shù)，但現(xiàn)在“小區(qū)分裂”已接近其技術(shù)極限。GSM在我國開通運(yùn)營以來，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容一直以小區(qū)分裂為主，但在大中城市高話務(wù)密度地區(qū)，如北京、上海、廣州、深圳等大城市的GSM網(wǎng)絡(luò)，基站布局已經(jīng)很密，市區(qū)基站間距已經(jīng)縮小到300～500米，不可能再大規(guī)模地增加基站，只能在個(gè)別地區(qū)采用特殊措施新建少量基站。
空間分集接收和分集發(fā)射
無線信號在復(fù)雜無線信道中傳播會產(chǎn)生多徑瑞利衰落，在不同空間位置上，其衰落特性是不同的。如果兩個(gè)位置相隔十個(gè)無線信號波長以上，就可以認(rèn)為兩處的信號是完全不相關(guān)的。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)信號空間分集接收�？臻g分集一般用兩副相距十個(gè)波長以上的天線同時(shí)接收信號，然后在基帶處理中把兩路信號合并。根據(jù)兩路信號的信號質(zhì)量，合并的方法可分為選擇合并、開關(guān)合并、等增益合并和最大比合并。其中，最大比合并之后信號的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，是最佳的合并方式。在CDMA系統(tǒng)的軟切換過程中，還可以通過相鄰的基站進(jìn)行分集接收（宏分集），從而提高移動臺在小區(qū)邊緣的通信質(zhì)量。
空間分集接收利用信號在空間上的不相關(guān)性提高通信系統(tǒng)的性能，一般采用雙分集天線能得到3dB的增益。目前，在CDMA系統(tǒng)中分集發(fā)射技術(shù)也日益得到重視。
在3GPP的WCDMA協(xié)議中，涉及到六種分集發(fā)射方法：空時(shí)分集發(fā)射（STTD：Space Time Transmit Diversity）、時(shí)間切換分集發(fā)射（TSTD：Time Switched Transmit Diversity）、兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式、軟切換中的宏分集、以及站點(diǎn)選擇分集發(fā)射（SSDT：Site selection diversity transmit）。分集發(fā)射利用了不同基站或同一基站中不同位置的天線發(fā)射信號到達(dá)移動臺的不相關(guān)性，借助移動臺的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發(fā)出的信號再進(jìn)行分集合并，提高系統(tǒng)性能。信道編碼、速率匹配和交織是在非分集模式下進(jìn)行的。時(shí)間切換分集發(fā)射只用于同步信道，根據(jù)奇數(shù)時(shí)隙和偶數(shù)時(shí)隙的信號用不同的天線發(fā)射。這兩種分集發(fā)射不需要移動臺反饋信道質(zhì)量信息，屬于開環(huán)分集發(fā)射。兩種閉環(huán)分集發(fā)射模式需要移動臺的反饋信息，信道編碼、交織和擴(kuò)頻與非分集模式相同，擴(kuò)頻后的復(fù)數(shù)信號送到兩個(gè)發(fā)射天線，并被天線的特定加權(quán)因子w1和w2加權(quán)。通常情況下加權(quán)因子為復(fù)數(shù)。加權(quán)因子(即對應(yīng)的閉環(huán)模式1下的相位調(diào)整量和閉環(huán)模式2下的相位/幅度調(diào)整量)由移動臺決定。移動臺利用上行專用物理控制信道把必要的信道信息傳給基站。
在軟切換過程中，可以通過兩個(gè)甚至三個(gè)基站同時(shí)向一個(gè)移動臺發(fā)射同樣的信號，這是一般的宏分集發(fā)射。此外還可以進(jìn)行站點(diǎn)選擇分集發(fā)射。站點(diǎn)選擇分集發(fā)射是軟切換下的另一種宏分集方法，其操作過程如下：移動臺從激活集中選擇一個(gè)小區(qū)作為主小區(qū)，其它小區(qū)為非主小區(qū)。主要目的是只從主小區(qū)進(jìn)行下行發(fā)射，從而降低在軟切換模式下多發(fā)射帶來的干擾。第二個(gè)目的是在沒有網(wǎng)絡(luò)參與下獲得快速位置選擇，從而保證軟切換的優(yōu)勢。為了選擇一個(gè)主小區(qū)，給每個(gè)小區(qū)都分配一個(gè)臨時(shí)標(biāo)識符(ID)，移動臺周期性地通過上行信道為所連接的小區(qū)發(fā)送主小區(qū)ID，被移動臺選擇為非主小區(qū)的小區(qū)將停止發(fā)射。
MIMO天線系統(tǒng)和空時(shí)編碼
在3GPP的高速下行分組接入方案中提出了MIMO（Multiple Input Multiple Output）天線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多付天線，可以認(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)展，但MIMO還引入編碼重用 (Code re-use)方法，用相同的信道化碼和擾碼調(diào)制多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流，如果基站發(fā)射端采用M付天線和N個(gè)擴(kuò)頻碼，則一個(gè)高速的數(shù)據(jù)流被分為M×N個(gè)子數(shù)據(jù)流，每個(gè)擴(kuò)頻碼對M個(gè)子數(shù)據(jù)流進(jìn)行擴(kuò)頻，相同擴(kuò)頻碼擴(kuò)頻的M路數(shù)據(jù)分別送到相應(yīng)的M付天線，在送往天線發(fā)射之前各路要加上相互正交的導(dǎo)頻，最后用同一擾碼加擾。這樣同時(shí)發(fā)射出去的各路數(shù)據(jù)所用的擴(kuò)頻碼和所用的發(fā)射天線不會完全一致。在接收端也用了多付天線。對于擴(kuò)頻碼不同的數(shù)據(jù)流，可以利用擴(kuò)頻碼的正交性分離出來。但對于采用相同擴(kuò)頻碼的各個(gè)數(shù)據(jù)流，就要靠不同天線信號在無線信道中的不相關(guān)性來區(qū)分。如果接收端有P付天線，而且采用了L個(gè)支路（finger）的Rake接收機(jī)，可以認(rèn)為數(shù)據(jù)經(jīng)過M×P×L個(gè)無線信道到達(dá)接收端，接收端利用M個(gè)導(dǎo)頻對每付天線的數(shù)據(jù)進(jìn)行L條支路的信道估計(jì)補(bǔ)償，然后把對應(yīng)同一天線的數(shù)據(jù)進(jìn)行Rake合并。這就是采用了空域信號處理的二維Rake接收技術(shù)。為了保證相同擴(kuò)頻碼的各個(gè)子數(shù)據(jù)流能有效分離，各天線的間隔距離要比較大，以保證信號的不相關(guān)性，甚至MIMO系統(tǒng)在沒有直射徑的瑞利衰落條件下工作得更好。MIMO天線系統(tǒng)能提供14.4Mb/s甚至21.6Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)也能提高系統(tǒng)容量。但MIMO天線系統(tǒng)會造成移動臺和基站復(fù)雜性的增加，在2G頻段下，UE上四個(gè)天線排列的線性距離需7.5厘米以獲得非相關(guān)性，研究結(jié)果表明，帶有四付天線的移動臺的復(fù)雜度是單天線的2倍。
目前，朗訊、松下、金橋和NTT DoCoMo等公司都在積極倡導(dǎo)MIMO天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。
近幾年來，還有許多機(jī)構(gòu)在研究基于MIMO天線系統(tǒng)的空時(shí)編碼技術(shù)。其實(shí)，STTD分集發(fā)射和上述的MIMO天線系統(tǒng)已經(jīng)采用了簡單空時(shí)編碼技術(shù)。基于分集發(fā)射的空時(shí)碼可以分為空時(shí)格碼(space-time trellis code)和空時(shí)塊碼(space-time block code)。空時(shí)格碼有較好的性能，但其譯碼復(fù)雜度與傳輸速率成指數(shù)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)難度較大�？諘r(shí)塊碼性能稍遜于空時(shí)格碼，但由于利用了正交設(shè)計(jì)理論，其譯碼復(fù)雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。STTD編碼就是一種空時(shí)塊碼。經(jīng)過空時(shí)編碼的信號經(jīng)過多條相關(guān)較小的無線信道到達(dá)接收端，接收端通常需要知道各個(gè)無線信道的理想?yún)?shù)，這就要求發(fā)射端發(fā)射不同的導(dǎo)頻序列，接收端采用大量的信道估計(jì)運(yùn)算，才可以達(dá)到空時(shí)分集效果。為此，也有人在研究不用信道估計(jì)的盲空時(shí)碼。多天線系統(tǒng)和空時(shí)編碼的結(jié)合，是空間資源利用技術(shù)的發(fā)展方向，可以認(rèn)為是一種高級的分集技術(shù)。
智能天線
蜂窩結(jié)構(gòu)及小區(qū)分裂能很有效地增加系統(tǒng)容量，但這種利用空間資源的方法很難有效地降低各個(gè)小區(qū)之間的干擾，較難提高移動通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量�？臻g分集收發(fā)技術(shù)則能在一定程度上提高通信質(zhì)量，但對容量的提高效果并不是很明顯。MIMO技術(shù)需要在移動臺配置多付天線，大大限制了其推廣應(yīng)用。智能天線技術(shù)在系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量的提高上都有很出色的表現(xiàn)，而且可以在不影響移動臺結(jié)構(gòu)的前提下在基站側(cè)即可實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)代移動通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
智能天線采用兩個(gè)以上單天線陣組成，相鄰天線陣的間隔約半個(gè)無線波長，各個(gè)天線陣元接收到信號的能量是一樣的，這是與分集天線的重要差別。由于無線信號波程差的存在，各個(gè)陣元對不同方向到達(dá)的信號就有不同的相位響應(yīng)，從而后續(xù)信號處理可以區(qū)分不同方向的信號。每個(gè)天線陣元接收到的信號經(jīng)過射頻處理后用適當(dāng)?shù)膹?fù)數(shù)權(quán)值進(jìn)行加權(quán)求和，使所需信號通過同相疊加得到加強(qiáng)，而其它干擾信號通過非同相疊加得到削弱，從而提高接收信噪比。加權(quán)的實(shí)質(zhì)是一種角度域的空間濾波。智能天線具有一定的空分多址（SDMA:Space Division Multiple Access）特性，但由于移動臺位置的任意性，與其它多址方式是有區(qū)別的。
智能天線大體可分三種。一種是固定波束智能天線，這種天線預(yù)先設(shè)定一些指向不同方向的波束權(quán)值，在通信過程中選擇接收信號比較好的波束。美國metawave公司的GSM Spotlight智能天線就采用了固定波束方式。這種方法的缺點(diǎn)是需要預(yù)先設(shè)計(jì)較好的權(quán)值，通信過程中的權(quán)值是不變的，不能最佳地適應(yīng)無線信道特性。第二種是部分自適應(yīng)智能天線，這種天線通常從接收的陣列信號中提取用戶信號到達(dá)方向角信息，然后形成指向到達(dá)方向角的波束，到達(dá)方向角變化則權(quán)值跟著變化。這種算法的準(zhǔn)則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時(shí)有限地壓制其它方向的干擾，相當(dāng)于復(fù)數(shù)權(quán)值相位可變幅度不變的相控天線陣。部分自適應(yīng)智能天線的性能比固定波束智能天線要好，但還是沒有完全利用信號空間信息，自適應(yīng)范圍也有限，而且提取達(dá)到方向角的算法比較復(fù)雜。另一種是全自適應(yīng)智能天線，這種天線是根據(jù)信號空間分布特性的變化而按一定準(zhǔn)則不斷更新權(quán)值，權(quán)值的幅度和相位都可以自由更新，當(dāng)算法收斂時(shí)，這種方法能充分利用用戶信號和干擾信號的空間特性使接收到的信號的信干噪比達(dá)到最大，而部分自適應(yīng)智能天線一般不考慮干擾到達(dá)方向。
結(jié)束語
從對空間資源利用的角度來講，蜂窩覆蓋和小區(qū)分裂利用了移動臺處于不同空間區(qū)域的特點(diǎn)，這個(gè)區(qū)域劃分得越小，系統(tǒng)容量就越大，但這個(gè)劃分有個(gè)限度，劃分越細(xì)網(wǎng)絡(luò)投資成本就越大，而且切換越頻繁。分集收發(fā)和空時(shí)碼技術(shù)利用了不同天線位置對應(yīng)的無線信道的不相關(guān)性，達(dá)到一定的分集處理增益。這種不相關(guān)性是一個(gè)隨機(jī)量，依賴于實(shí)際的無線環(huán)境變化和移動臺位置的變化。智能天線技術(shù)根據(jù)移動臺信號的到達(dá)方向提高系統(tǒng)性能，更精細(xì)地利用了移動臺的空間特性，而且能在一定程度上實(shí)時(shí)跟蹤信號方向的變化。特別是自適應(yīng)智能天線系統(tǒng)，能同時(shí)兼顧移動臺和干擾臺（包括附近的基站）的信號達(dá)到分布，從全局進(jìn)行角度域的空間濾波，是一種把空間資源利用得比較充分的先進(jìn)技術(shù)。充分利用空間資源，是未來移動通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。
摘自《通訊世界》2002.3
