卜青云

（長訊通信服務(wù)有限公司）

LTE高速移動(dòng)環(huán)境下多天線技術(shù)研究

卜青云

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隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們之間的通訊也越來越方便。而通訊的日益便利則取決于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的普及以及它的快速發(fā)展。近幾年移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了2G到3G，3G向4G的發(fā)展，4G在社會(huì)也即將得普及。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，是由于它充分發(fā)揮了當(dāng)今高新科技技術(shù)的優(yōu)勢，依賴于當(dāng)今科技的穩(wěn)步提升。LTE正是高新技術(shù)的產(chǎn)物，LTE的出現(xiàn)，極大促進(jìn)了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。相信在未來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)事業(yè)的發(fā)展中，與其它行業(yè)有更多的交匯，形成多元化業(yè)務(wù)，發(fā)揮越來越重要的作用。本文先對多天線技術(shù)進(jìn)行了簡要闡述，又分析了LET性能與多天線技術(shù)的關(guān)系，最后探究了在高速移動(dòng)的環(huán)境下，LET多天線技術(shù)會(huì)呈現(xiàn)怎樣的狀態(tài)。

LTE；高速移動(dòng)環(huán)境；多天線技術(shù)

雖然我國的通訊工程已經(jīng)做得很完善了，但我們還是要向更高、更快的方向發(fā)展。這就要求我們對過去，現(xiàn)在的通訊系統(tǒng)有全面的了解。在了解中對它們進(jìn)行比較，在比較中發(fā)現(xiàn)不同系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，從而對將來的通訊系統(tǒng)有所預(yù)測，明白相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該在哪一方面對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。當(dāng)今時(shí)代，第四代通訊系統(tǒng)逐漸取代了第三代通訊系統(tǒng)，成為時(shí)代的主流。CDMA系統(tǒng)是第三代通訊系統(tǒng)的主要系統(tǒng)，而第四代通訊系統(tǒng)的主要系統(tǒng)分別是：LTE、OFDMA、HSPA三個(gè)系統(tǒng)。而在這三個(gè)系統(tǒng)中，最先進(jìn)的就是LTE了。下文就是對LET系統(tǒng)的詳細(xì)介紹。

1 什么是多天線技術(shù)

多天線技術(shù)，主要分為四種技術(shù)，包括全向天線、定向天線、機(jī)械天線、雙極化天線以及電調(diào)天線。全向天線即水平圖上呈均勻輻射，也就是輻射沒有方向性；定向天線與全向天線相反，在水平圖上表現(xiàn)為向一確定的角度輻射，也就是定向輻射；機(jī)械天線，就是用機(jī)械調(diào)整角度的移動(dòng)天線；電調(diào)天線，就是用電子調(diào)整輻射角度的天線；雙極化天線則是指+45°和－45°兩種極化方向相互正交的天線同時(shí)進(jìn)行工作的新型天線技術(shù)。

多天線技術(shù)就是多種天線技術(shù)的統(tǒng)一表述，從大的方面來看，主要分為兩種方式，即波束賦型和分集空分復(fù)用兩種形式[2]。波束賦型是通過特定的方法，合成某種特定波束的方式。這種波束會(huì)抑制干擾，能夠最大程度的實(shí)現(xiàn)天線增益，但是前提是要有多根天線輔助。相比上一種方式，天線分集在這方面有很大的優(yōu)勢，它可以充分利用無線信道的特點(diǎn)，從而在無線信道衰弱的時(shí)候，充分利用多余的分集來使其衰弱度降低，或者使其衰弱度得到一定的控制；空分復(fù)用也就是為了使空口達(dá)到最高的傳輸效率，而借助無線信道的獨(dú)特優(yōu)勢構(gòu)造數(shù)個(gè)并行信道的一種方式。在這兩種方式中，Beamforming是指第一種方式，MIMO是第二種方式。

2 LTE性能與多天線技術(shù)的關(guān)系

LTE技術(shù)之所以比OFDMA、HSPA更先進(jìn)，是因?yàn)樗秃髢蓚€(gè)技術(shù)相比，有很多優(yōu)勢。比如說，LTE講求三高兩低，三高指高峰值速率，高頻譜效率，高移動(dòng)性，兩低是指低時(shí)延、低成本[1]。此外，LTE比較注重用戶體驗(yàn)，近幾年在用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)上都有很大提升，它的網(wǎng)結(jié)構(gòu)呈扁平化，極大地提高了業(yè)務(wù)傳送的效率。LTE采用1ms子幀作為調(diào)度周期，能夠更加靈活地適配各種場景，而各種關(guān)鍵技術(shù)的前提就是快速調(diào)度。MIMO可以在復(fù)用模式和分集模式之間自適應(yīng)動(dòng)態(tài)改變，和Beamforming結(jié)合使用，既能夠改變覆蓋，又能夠增大容量。

LTE之所以能夠在很大程度上提升數(shù)據(jù)的傳輸速度，充分發(fā)揮利用頻譜的功能，是因?yàn)樗邆淞硕噍斎?、多輸出以及分?fù)用正交頻譜等高新技術(shù)。目前，LTE主要存在兩種形式，即FDD-LTE和TDD-LTE，這兩種形式雖然在運(yùn)作模式上有極大的相似性，但是在上下行速率和頻譜利用率上還是有較大差距，各占優(yōu)勢。比如，F(xiàn)DD上下行速率較快，而TDD較慢，所以在這方面FDD顯示出TDD所不具備的上下行速率優(yōu)勢；但是在對頻譜的利用范圍上，F(xiàn)DD的利用范圍較小，TDD的利用范圍則較大，所以在這方面TDD略勝一籌。這兩種方式，各具優(yōu)勢，互補(bǔ)不足。和之前的技術(shù)相比，LTE在其覆蓋面和容量上，做出了很大突破，覆蓋面積增加，容量大幅度提高。所以和之前的那些技術(shù)相比，有著很大優(yōu)勢。除此之外，LTE技術(shù)還使多個(gè)寬帶得以實(shí)現(xiàn)分配使用。

比如說TD-LTE組網(wǎng)技術(shù)，主要和兩種配置相關(guān)，即二天線和八天線，也就是MIMO和波束賦形，其仿真效果及二者在功能上的差異如表1所示。

根據(jù)圖表，可以看出，2天線的吞吐量不論是從扇區(qū)來看，還是邊緣來看，都比8電線波束賦形低，說明了2天線即MIMO要比8天線的運(yùn)行速率快。再結(jié)合上兩圖，可以看出2天線在下行鏈路上的覆蓋范圍不如8電線廣泛。再經(jīng)過進(jìn)一步分析，可知雖然2天線比8天線快，但如果僅從邊界速率上來看，8天線卻比2天線快。在高負(fù)荷環(huán)境中，2天線和8天線的吞吐速率都有所提高，只是程度不同，2天線MIMO提高的范圍較??；在低負(fù)荷條件下二者的吞吐率也有所提高，而且幅度相近。

表1 2天線與8天線對比表

3 LTE高速移動(dòng)環(huán)境下多天線技術(shù)研究

高速移動(dòng)環(huán)境，即快速移動(dòng)的環(huán)境，本文中將選取高速移動(dòng)的高鐵作為研究對象，對LTE在高速移動(dòng)環(huán)境中的多天線技術(shù)進(jìn)行探究。在高鐵上，實(shí)際上基站與移動(dòng)終端并不是相對靜止，相反，是存在相對運(yùn)動(dòng)的，而且這種運(yùn)動(dòng)遵循著一種特定的規(guī)律，即多普勒效應(yīng)。也就是說，當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)送信號時(shí)，基站雖然可以接受這種信號，但是信號并不能保持同步，在這種情況下，信號的頻率偏差并不是毫無規(guī)律，這種規(guī)律性偏差的現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)，這種偏差就叫作多普勒頻移。在多普頻移的條件下，如果移動(dòng)速度增大，那么多普勒頻移就會(huì)出現(xiàn)明顯的增大。針對這種情況，就應(yīng)該找到一個(gè)頻偏容忍度，使其與這種現(xiàn)象相匹配。經(jīng)過相關(guān)計(jì)算后，可以發(fā)現(xiàn)要想降低或者消除頻率偏差所帶來的影響，可以進(jìn)行頻偏算法。而且這種算法除了可以降低影響，還可以讓誤碼率的性能保持在一定范圍內(nèi)。

LTE多天線技術(shù)在高速移動(dòng)環(huán)境下，主要依靠一些基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。這些基礎(chǔ)技術(shù)中，主要是TDD和FDD，LTE技術(shù)就是通過這兩種技術(shù)的雙工形式展開的。TDD能夠控制上下行信號的傳播范圍，使其在相同的頻段下進(jìn)行傳播，這樣可以使信道的對稱性得以充分發(fā)揮。而FDD抗干擾能力很強(qiáng)，還能夠自動(dòng)適應(yīng)鏈路，功率控制。實(shí)施多天線技術(shù)，還需要依靠一種基本技術(shù)，那就是預(yù)編碼技術(shù)。預(yù)編碼技術(shù)可以接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析產(chǎn)生一個(gè)訓(xùn)練序列發(fā)送至終端，終端對其進(jìn)行搜索后就可以獲得一個(gè)預(yù)編碼矩陣，并將這個(gè)矩陣的序號發(fā)送至發(fā)射端，同時(shí)發(fā)送出信道的信噪比向[3]。通過這樣的兩次傳遞，就可以在傳輸時(shí)起到信號增強(qiáng)的效果。

4 結(jié)語

科技的進(jìn)步必將帶來更多的新技術(shù)，LTE技術(shù)就是在這樣的環(huán)境下產(chǎn)生的。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在近幾年發(fā)展迅速，邁出了通訊工程中的一大步，是通訊工程中很成功的一個(gè)通訊系統(tǒng)，極大促進(jìn)了通訊工程的發(fā)展。雖然移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)很成熟，但我們還是希望它能有更多的突破，LTE技術(shù)就是近幾年剛出現(xiàn)的一門技術(shù)，正在慢慢發(fā)展，目前還不是特別成熟，尤其在高速移動(dòng)的環(huán)境下。相信未來LTE將會(huì)成為移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的主要方式，回和其它技術(shù)相互交融，共同發(fā)展，產(chǎn)生多元化技術(shù)，得到更為廣闊的發(fā)展空間。

[1]付強(qiáng).LTE高速移動(dòng)環(huán)境下多天線技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2010.

[2]羅萬團(tuán).高移動(dòng)環(huán)境下的高性能切換和多天線技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2014.

TN929.5

A

1004-7344（2016）24-0279-01

-LTE系統(tǒng)增強(qiáng)多天線技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2014.

2016-8-11