王剛

摘 要 智能天線與MIMO技術(shù)都是廣泛應(yīng)用于下一代移動通信中的多天線技術(shù)，這兩種技術(shù)的原理差異非常大，二者各有優(yōu)勢，智能天線在多徑效應(yīng)較輕情況下性能較好，MIMO在多徑效應(yīng)較重情況下性能較好，如何使兩種技術(shù)同時在系統(tǒng)中被使用，在不同場景下都能獲得較佳性能是一個非常關(guān)鍵的問題。本文在介紹智能天線與MIMO技術(shù)的基礎(chǔ)上，最后提出了相應(yīng)的融合機(jī)制。

關(guān)鍵詞 智能天線 MIMO 融合機(jī)制

1 引言

隨著全球移動通信的不斷發(fā)展，移動用戶的日益增多，現(xiàn)一代移動通信網(wǎng)絡(luò)資源已經(jīng)變的非常有限。如何的利用有限的帶寬資源，已經(jīng)成為現(xiàn)在已經(jīng)成為了移動通信領(lǐng)域中一個熱門話題。智能天線可以滿足服務(wù)質(zhì)量和擴(kuò)充容量的需要。移動通信中另一個難于解決的問題的如何克服多徑干擾。在傳統(tǒng)的SISO系統(tǒng)中多徑干擾始終存在并到現(xiàn)在為止沒有找出很好的克服方法。于是MIMO 的研究成為現(xiàn)在通信領(lǐng)域的熱點(diǎn)。如果智能天線與 MIMO 技術(shù)結(jié)合使用，更加會開發(fā)空域在移動通信中的巨大潛力。必定能很好的解決系統(tǒng)容量擴(kuò)充問題與抗多徑干擾問題，改善通信質(zhì)量增大系統(tǒng)容量。

智能天線技術(shù)可以提高接收信號的信干比和小區(qū)的用戶容量，自提出以來就深受業(yè)內(nèi)關(guān)注，已經(jīng)被TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)采用，國際電聯(lián)也明確將它作為第三代及以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)的信道容量提高信息傳輸速率，因此該技術(shù)已成為4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。MIMO和智能天線都是4G的關(guān)鍵技術(shù)，如果我們可以將二者有機(jī)地結(jié)合起來，就可以大大提高4G系統(tǒng)的性能，使得通信終端在更高的移動速度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，因此如何把MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合起來加以應(yīng)用非常值得探討。

2 智能天線和MIMO技術(shù)分析

MIMO和智能天線都屬于多天線系統(tǒng)中的技術(shù)，這兩種技術(shù)既有共性又有顯著區(qū)別，憑借在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線共同成為了下一代移動通信系統(tǒng)發(fā)展中炙手可熱的新技術(shù)。

2.1 智能天線技術(shù)

智能天線技術(shù)可用于多天線系統(tǒng)中，但它與以往天線分集有著很大的區(qū)別。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用了先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)。一個典型陣列天線接收系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)由三部分組成：實(shí)現(xiàn)信號空間過采樣的天線陣列，對各陣元輸出進(jìn)行加權(quán)合并的波束成型網(wǎng)絡(luò)，更新合并權(quán)值的控制部分。這其實(shí)是智能天線用作接收天線時的結(jié)構(gòu)，當(dāng)用它進(jìn)行發(fā)射時結(jié)構(gòu)稍有變化，加權(quán)器或加權(quán)網(wǎng)絡(luò)置于天線之前，也沒有相加合并器。由于智能天線能顯著提高系統(tǒng)的性能和容量，抑制干擾信號并增加了天線系統(tǒng)的靈活性，未來幾乎所有先進(jìn)的移動通信系統(tǒng)都將采用該技術(shù)。

2.2 MIMO技術(shù)

多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)通過空間復(fù)用，使頻譜效率得以成倍提高。空時編碼技術(shù)正是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的編碼和信號處理技術(shù)，它將信道編碼技術(shù)與陣列處理技術(shù)相結(jié)合，大幅度地提高無線通信中的系統(tǒng)容量和傳輸速率。MIMO系統(tǒng)是指發(fā)射端與接收端都有多個天線的通信系統(tǒng)，如圖2所示MIMO技術(shù)可以視為智能天線技術(shù)的一種擴(kuò)展。但是傳統(tǒng)的智能天線的智能體現(xiàn)在天線加權(quán)選擇算法上，而MIMO系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是信號的編解碼處理。MIMO系統(tǒng)與智能天線的不同在于它能夠同時獲得發(fā)送和接收分集增益。

MIMO無線通信技術(shù)的概念是在任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線或者天線陣列，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。MIMO無線通信技術(shù)采用空時處理技術(shù)進(jìn)行信號處理，在多徑環(huán)境下，無線MIMO系統(tǒng)可以極大地提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。MIMO技術(shù)充分開發(fā)空間資源，利用多個天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，在不需要增加頻譜資源和天線發(fā)送功率的情況下，可以成倍地提高信道容量。

2.3 MIMO和智能天線技術(shù)的比較

MIMO和智能天線技術(shù)都用于多天線系統(tǒng)，但是兩者又有本質(zhì)的區(qū)別。

從原理上看，智能天線利用到達(dá)天線陣的信號之間完全相關(guān)性形成天線方向圖，它關(guān)鍵能實(shí)現(xiàn)信號的定向發(fā)送和接收；而在MIMO中天線收發(fā)信號是全方位的，并且到達(dá)天線陣的信號必須相互獨(dú)立，用多個天線接收信號來克服信號到達(dá)接收機(jī)的空間深衰落，增加分集增益。

從天線結(jié)構(gòu)上看，兩種技術(shù)都可以使用多天線，智能天線通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線的方向圖，天線陣元間距一般取1/2波長，因?yàn)殛囋g距過大會減小接收信號彼此的相關(guān)程度，太小則會在方向圖上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系統(tǒng)中，天線單元之間的間隔必須為多個波長一般為10～15波長，以確保到達(dá)天線陣各個單元的信號是互不相關(guān)的。

從多天線系統(tǒng)來看，傳統(tǒng)的智能天線是指僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)，而MIMO只應(yīng)用在MIMO系統(tǒng)中。

3 MIMO和智能天線技術(shù)的融合

MIMO技術(shù)實(shí)質(zhì)上為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益。MIMO通信中，空間復(fù)用是將輸入數(shù)據(jù)分成多個子流，每個子流從不同的天線發(fā)送出去，在同一頻帶上使用多個MIMO子信道，從而使得容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。如果在發(fā)射端和接收端之間安裝多個天線，只要天線之間的距離足夠遠(yuǎn)，就可以認(rèn)為在發(fā)射端和接收端之間建立了多條獨(dú)立同分布的空間信道，從而在空域引入了冗余，實(shí)現(xiàn)空間分集。設(shè)發(fā)端Nt根天線，收端Nr根天線，當(dāng)發(fā)射天線間距大于等于10λ，接收天線間距大于等于λ/2，就可以近似認(rèn)為每對收發(fā)天線之間的傳播路徑相互獨(dú)立，這樣就在收發(fā)天線陣之間建立了從NtxNr條獨(dú)立同分布的傳播路徑。

如果將智能天線與MIMO技術(shù)相結(jié)合，那么我們的期望是所形成的系統(tǒng)不但能提供智能天線技術(shù)所帶來的天線增益，還應(yīng)帶來提高系統(tǒng)傳輸質(zhì)量的分集增益。在智能天線技術(shù)基礎(chǔ)上，如果要獲得分集增益，在陣元之間尋求這種可能性是不現(xiàn)實(shí)的做法，因?yàn)殛囋g距λ/2，彼此之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。那么要弱化相關(guān)性，可以從以下兩個方向著手：空間，極化。

空間分集，此時要將天線盡量拉開距離，以滿足較低的衰落相關(guān)性。衰落相關(guān)性依賴于天線間距和角度擴(kuò)展，角度擴(kuò)展即角度分布的標(biāo)準(zhǔn)差。對于戶外系統(tǒng)來說，基站端的角度擴(kuò)展可能僅僅為幾度，所以天線的水平間距為10λ-20λ是必須要滿足的條件。因此，我們在分析性能時，存在將等效MIMO的平均間距設(shè)為10λ的情況。

極化分集，可以采用兩個相互垂直的極化方向來滿足較低的衰落相關(guān)性，例如水平極化和垂直極化。這些正交極化后的天線陣元彼此間的相關(guān)性很小，而且組合成的天線體積會相應(yīng)縮小。

MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵是如何能在同一個系統(tǒng)中同時采用兩種技術(shù)。下面我們設(shè)計(jì)一個系統(tǒng)，同時能支持這兩種技術(shù)。本文給出了一種方案，使這兩種技術(shù)求同存異，在一個系統(tǒng)中共存。

上文比較這兩種技術(shù)的異同點(diǎn)可以看出，MIMO和智能天線技術(shù)共存的主要障礙是天線結(jié)構(gòu)：智能天線要求天線間距取1/2λ，并且用于SIMO和MISO系統(tǒng)；而MIMO要求天線間距為數(shù)個波長，并且只用于MIMO系統(tǒng)。本文給出的方案很好地解決了這個問題，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖3所示的拉遠(yuǎn)分組天線陣列中所有天線陣元均為垂直極化，但分成兩組，每組天線陣列內(nèi)各有4個天線陣元，每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間距保持傳統(tǒng)智能天線采用的半波長間距λ/2，這樣每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。但兩組天線陣列通過空間距離來換取MIMO應(yīng)用所依賴的不相關(guān)性或弱相關(guān)性，即將兩組天線拉遠(yuǎn)至4λ—l0λ。

圖4所示的雙極化分組天線陣列中，每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間距保持傳統(tǒng)智能天線采用的半波長問距λ/2，但組問采用不同極化方式，如圖2（b）所示一組天線陣列內(nèi)陣元均采用+45。極化，而另一組天線陣列內(nèi)陣元均采用-45。極化，這樣每組天線陣列內(nèi)的天線陣元間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。但兩組天線陣列通過不同的極化方式來換取MIMO應(yīng)用所依賴的不相關(guān)性或弱相關(guān)性。這樣的天線陣列的尺寸僅為不到原天線陣列的一半，在尺寸方面有著較好的優(yōu)勢。

顯然，上述天線結(jié)構(gòu)均基于天線分組的思想，只是天線分組間的不相關(guān)性或弱相關(guān)性的獲得方式不一樣，但這也導(dǎo)致了這兩種天線具有不同的物理結(jié)構(gòu)和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。拉遠(yuǎn)分組陣列較極化分組天線陣列而言，沒有正交極化天線理論上存在的極化損失，但正交極化天線分組可以具有更小的尺寸，更有利于工程實(shí)施。

結(jié)束語：如今智能天線和MIMO在各自領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用并且分別發(fā)著揮極其重要的作用，它們的應(yīng)用都為解決無線通信中存在的各種難題做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，如何將MIMO 與智能天線結(jié)合，充分發(fā)揮他們各自優(yōu)勢，仍然是無線通信領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。將MIMO 與智能天線結(jié)合，必然能大大改進(jìn)無線通信質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量，為我們?nèi)找娣泵Φ母咚傩畔⑸钐峁└哔|(zhì)量的服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 周夕良.第四代移動通信的發(fā)展和挑戰(zhàn)[J].信息與電子工程，2006 4 （2）.

[2] 劉鳴. 智能天線技術(shù)與應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版，2007.

[3] ChizhikD，LingJ，WonlnianskyPW，etal.Multiple-Input-Multiple-OutputMeasurements and Modeling in Manhattan [J].IEEE Journal on Se-elected Areas in Communications，2003-04，21（3）：321-331.

[4] 李忻，黃繡江 MIMO無線技術(shù)的研究現(xiàn)狀移動通信2006.5pp.85～88

[5] 林輝 智能天線技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用電信網(wǎng)技術(shù)2006.10