banner.jpg)
相關專題：
移動通信中的物理信道必須要占據(jù)一定的時間、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；在時分多址系統(tǒng)中，在頻率分開的基礎上，又在時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難度也相應較大。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，包括相對簡單的蜂窩結(jié)構(gòu)、小區(qū)分裂、空間接收分集，到相對復雜的空間分集發(fā)射、MIMO天線和空時編碼、智能天線等前沿技術。
蜂窩結(jié)構(gòu)和小區(qū)分裂
在無線通信發(fā)展之初，通常只有一個地面站覆蓋整個城市，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30～50km，但是系統(tǒng)容量很小，一般只能同時容納幾十個到幾百個用戶。
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。蜂窩技術在平面空間上劃分許多正六邊形的小區(qū)，每個小區(qū)架設覆蓋該小區(qū)的天線，在空間上相隔一定距離的各個小區(qū)進行頻率復用，從而提高了頻率利用率。同時，這種結(jié)構(gòu)組網(wǎng)靈活，可以基本實現(xiàn)無縫覆蓋。這是無線通信利用空間資源的一個里程碑。
隨著移動通信技術的快速發(fā)展，移動用戶數(shù)也不斷增加，蜂窩移動通信系統(tǒng)容量也很快達到飽和，而且各個小區(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一步把蜂窩劃分得更小，進一步提高頻率復用程度，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)點是不需要增加新的基站。工程中大量采用的是把一個全向小區(qū)分成3個120°覆蓋的扇形小區(qū)。常見的還有分成6個60o扇形小區(qū)的方案、將原正六邊形小區(qū)分裂成3個新的正六邊形小區(qū)的1:3方案。還有一種辦法就是在適當?shù)胤皆黾有碌幕�，一般是把原來的小區(qū)分裂成4個半徑縮小一半的六邊形小區(qū)。當用戶數(shù)繼續(xù)大量增加時，可以組合使用上面的方法進行二次小區(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用效率是移動通信擴容的一項重要技術，但現(xiàn)在“小區(qū)分裂”已接近其技術極限。GSM在我國開通運營以來，網(wǎng)絡擴容一直以小區(qū)分裂為主，但在大中城市高話務密度地區(qū)，如北京、上海、廣州、深圳等大城市的GSM網(wǎng)絡，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。如果兩個位置相隔十個無線信號波長以上，就可以認為兩處的信號是完全不相關的。利用這個特點，可以實現(xiàn)信號空間分集接收�？臻g分集一般用兩副相距十個波長以上的天線同時接收信號，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：空時分集發(fā)射（STTD：Space Time Transmit Diversity）、時間切換分集發(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)射信號到達移動臺的不相關性，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行的。時間切換分集發(fā)射只用于同步信道，根據(jù)奇數(shù)時隙和偶數(shù)時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、交織和擴頻與非分集模式相同，擴頻后的復數(shù)信號送到兩個發(fā)射天線，并被天線的特定加權因子w1和w2加權。通常情況下加權因子為復數(shù)。加權因子(即對應的閉環(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，可以通過兩個甚至三個基站同時向一個移動臺發(fā)射同樣的信號，這是一般的宏分集發(fā)射。此外還可以進行站點選擇分集發(fā)射。站點選擇分集發(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。第二個目的是在沒有網(wǎng)絡參與下獲得快速位置選擇，從而保證軟切換的優(yōu)勢。為了選擇一個主小區(qū)，給每個小區(qū)都分配一個臨時標識符(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，可以認為是雙天線分集的進一步擴展，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個擴頻碼，則一個高速的數(shù)據(jù)流被分為M×N個子數(shù)據(jù)流，每個擴頻碼對M個子數(shù)據(jù)流進行擴頻，相同擴頻碼擴頻的M路數(shù)據(jù)分別送到相應的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頻，最后用同一擾碼加擾。這樣同時發(fā)射出去的各路數(shù)據(jù)所用的擴頻碼和所用的發(fā)射天線不會完全一致。在接收端也用了多付天線。對于擴頻碼不同的數(shù)據(jù)流，可以利用擴頻碼的正交性分離出來。但對于采用相同擴頻碼的各個數(shù)據(jù)流，就要靠不同天線信號在無線信道中的不相關性來區(qū)分。如果接收端有P付天線，而且采用了L個支路（finger）的Rake接收機，可以認為數(shù)據(jù)經(jīng)過M×P×L個無線信道到達接收端，接收端利用M個導頻對每付天線的數(shù)據(jù)進行L條支路的信道估計補償，然后把對應同一天線的數(shù)據(jù)進行Rake合并。這就是采用了空域信號處理的二維Rake接收技術。為了保證相同擴頻碼的各個子數(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雜性的增加，在2G頻段下，UE上四個天線排列的線性距離需7.5厘米以獲得非相關性，研究結(jié)果表明，帶有四付天線的移動臺的復雜度是單天線的2倍。
目前，朗訊、松下、金橋和NTT DoCoMo等公司都在積極倡導MIMO天線系統(tǒng)技術的應用。
近幾年來，還有許多機構(gòu)在研究基于MIMO天線系統(tǒng)的空時編碼技術。其實，STTD分集發(fā)射和上述的MIMO天線系統(tǒng)已經(jīng)采用了簡單空時編碼技術�；诜旨l(fā)射的空時碼可以分為空時格碼(space-time trellis code)和空時塊碼(space-time block code)�？諘r格碼有較好的性能，但其譯碼復雜度與傳輸速率成指數(shù)關系，實現(xiàn)難度較大�？諘r塊碼性能稍遜于空時格碼，但由于利用了正交設計理論，其譯碼復雜度很低，還可能得到最大的分集發(fā)射增益。STTD編碼就是一種空時塊碼。經(jīng)過空時編碼的信號經(jīng)過多條相關較小的無線信道到達接收端，接收端通常需要知道各個無線信道的理想?yún)?shù)，這就要求發(fā)射端發(fā)射不同的導頻序列，接收端采用大量的信道估計運算，才可以達到空時分集效果。為此，也有人在研究不用信道估計的盲空時碼。多天線系統(tǒng)和空時編碼的結(jié)合，是空間資源利用技術的發(fā)展方向，可以認為是一種高級的分集技術。
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技術需要在移動臺配置多付天線，大大限制了其推廣應用。智能天線技術在系統(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)即可實現(xiàn)，是現(xiàn)代移動通信領域的研究熱點之一。
智能天線采用兩個以上單天線陣組成，相鄰天線陣的間隔約半個無線波長，各個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，各個陣元對不同方向到達的信號就有不同的相位響應，從而后續(xù)信號處理可以區(qū)分不同方向的信號。每個天線陣元接收到的信號經(jīng)過射頻處理后用適當?shù)膹蛿?shù)權值進行加權求和，使所需信號通過同相疊加得到加強，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。加權的實質(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，這種天線預先設定一些指向不同方向的波束權值，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。這種方法的缺點是需要預先設計較好的權值，通信過程中的權值是不變的，不能最佳地適應無線信道特性。第二種是部分自適應智能天線，這種天線通常從接收的陣列信號中提取用戶信號到達方向角信息，然后形成指向到達方向角的波束，到達方向角變化則權值跟著變化。這種算法的準則是使接收到的期望用戶信號能量最大，同時有限地壓制其它方向的干擾，相當于復數(shù)權值相位可變幅度不變的相控天線陣。部分自適應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，自適應范圍也有限，而且提取達到方向角的算法比較復雜。另一種是全自適應智能天線，這種天線是根據(jù)信號空間分布特性的變化而按一定準則不斷更新權值，權值的幅度和相位都可以自由更新，當算法收斂時，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到最大，而部分自適應智能天線一般不考慮干擾到達方向。
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，這個區(qū)域劃分得越小，系統(tǒng)容量就越大，但這個劃分有個限度，劃分越細網(wǎng)絡投資成本就越大，而且切換越頻繁。分集收發(fā)和空時碼技術利用了不同天線位置對應的無線信道的不相關性，達到一定的分集處理增益。這種不相關性是一個隨機量，依賴于實際的無線環(huán)境變化和移動臺位置的變化。智能天線技術根據(jù)移動臺信號的到達方向提高系統(tǒng)性能，更精細地利用了移動臺的空間特性，而且能在一定程度上實時跟蹤信號方向的變化。特別是自適應智能天線系統(tǒng)，能同時兼顧移動臺和干擾臺（包括附近的基站）的信號達到分布，從全局進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技術。充分利用空間資源，是未來移動通信技術發(fā)展的重要方向。
摘自《通訊世界》2002.3
