4G中的MIMO智能天線技術(shù)詳細介紹

　　一、引言

　　智能天線通常也稱作自適應(yīng)天線陣列，可以形成特定的天線波束，實現(xiàn)定向發(fā)送和接收，主要用于完成空間濾波和定位。從本質(zhì)上看，它利用了天線陣列中各單元之間的位置關(guān)系，即利用了信號的相位關(guān)系克服多址干擾及多徑干擾，這是它與傳統(tǒng)分集技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。 MIMO系統(tǒng)是指在發(fā)射端和接收端同時使用多個天線的通信系統(tǒng)，其有效地利用隨機衰落和可能存在的多徑傳播來成倍地提高業(yè)務(wù)傳輸速率。其核心技術(shù)是空時信號處理，即利用在空間中分布的多個時間域和空間域結(jié)合進行信號處理。因此，可以被看作是智能天線的擴展。智能天線系統(tǒng)在移動通信鏈路的發(fā)射端/或接收端帶有多根天線，根據(jù)信號處理位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術(shù)被定義為多入單出（MISO，Multiple Input Single Output）、單入多出（SIMO，Single Input Multiple Output）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）等幾種方式。

　　二、多入多出智能天線收發(fā)機結(jié)構(gòu)及研究進展

　　從圖1可以看出，比特流在經(jīng)過編碼、調(diào)制和空時處理（波束成行或空時編碼）后，映射成不同的信息符號，從多個天線同時發(fā)射出去；在接收端用多個天線接收，進行相應(yīng)解調(diào)、解碼及空時處理。

　　MIMO系統(tǒng)中的空時處理技術(shù)主要包括波束成形（beamforming）、空時編碼（space-time coding）、空間復(fù)用（space multiplexing）等。波束成形是智能天線中的關(guān)鍵技術(shù)，通過將主要能量對準期望用戶以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干擾，其關(guān)鍵是波束成行權(quán)值的確定。

　　1.MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案

　　MIMO系統(tǒng)的發(fā)射方案主要分為兩種類型：最大化數(shù)據(jù)率的發(fā)射方案（空間復(fù)用SDM）和最大化分集增益的發(fā)射方案（空時編碼STC）。最大化數(shù)據(jù)率發(fā)射方案主要通過在不同天線發(fā)射相互獨立的信號實現(xiàn)空間復(fù)用?？諘r編碼的方案是指在發(fā)射端對數(shù)據(jù)流進行聯(lián)合編碼以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的符號錯誤率，它通過在發(fā)射端的聯(lián)合編碼增加信號的冗余度，從而使信號在接收端獲得分集增益，但空時編碼方案不能提高數(shù)據(jù)率。

　?。?）空時編碼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（SNR，Signal to Noise Ratio）最大，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。對于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機制，可以引入空時編碼或者采用空間復(fù)用增益來利用空間維數(shù)。空時編碼主要分為空時格碼和空時塊碼。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?？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，提出了酉空時編碼和差分空時編碼。

　?。?）空間復(fù)用空間復(fù)用是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，在接收端用ZF，MMSE，ML，V-BLAST等方法進行解碼。它能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，可犧牲一些數(shù)據(jù)率獲得更高的分集增益。

　?。?）空間復(fù)用和空時編碼結(jié)合將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合，在保證每個數(shù)據(jù)流獲得最小分集增益的條件下，最大化平均數(shù)據(jù)率。目前，將空間復(fù)用和空時編碼相結(jié)合的方案主要有兩種，鏈接編碼和使用塊碼映射的自適應(yīng)MIMO系統(tǒng)。鏈接編碼方案是指在內(nèi)部使用空時編碼，外部使用傳統(tǒng)的信道糾錯碼（TCM，卷積碼，RS碼）的編碼方案［4］，這種方案既能提供分集增益，又能提高系統(tǒng)容量。因為信道間的相關(guān)性將影響多天線系統(tǒng)的頻譜效率，當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，當(dāng)信道間相關(guān)性大時，采用空時編碼的發(fā)射方案。