（信号与信息处理专业论文）智能天线与mimo技术结合研究.pdf

智能天线与m i m o 技术结合研究 摘要 智能天线与m i m o 技术都是广泛应用于下一代移动通信中的多 天线技术，这两种技术的原理差异非常大，二者各有优势，智能天线 在多径效应较轻情况下性能较好，m i m o 在多径效应较重情况下性能 较好，如何使两种技术同时在系统中被使用，在不同场景下都能获得 较佳性能是一个很关键的问题。本文以t d s c d m a 智能天线为前提 研究在此基础上获得m i m o 增益的方案，通过仿真性能比较和综合 分析，对使用哪种结合方案提出了建议。 本文第一章由探讨移动通信物理层技术的发展方向展开，引入智 能天线和m i m o 这两种多天线技术，阐述了智能天线和m i m o 的基 本原理，并总览全文介绍了论文的主要工作。第二章介绍了智能天线 和m i m o 各自的代表性技术以及发展情况，还列举了它们目前在标 准化中的应用。第三章在对智能天线和m i m o 可能的结合点进行研 究之后，分析了几种已有的结合方案的优劣，并提出在t d s c d m a 系统中使用双极化天线，利用极化分集获得m i m o 增益。第四章作 为仿真方案的铺陈主要介绍了t d s c d m a 系统的帧结构和双极化天 线技术。随后为考察验证所述几种方案的性能，第五章和第六章分别 全面陈述下行仿真方案和上行仿真方案，仿真证明在智能天线基础上 引入m i m o 能够明显改善系统性能。最后，第七章依据仿真结果及 性能分析，并考虑到实际工程应用等各方面的因素，对使用哪种方案 给出了建议，并指出了下一步研究的方向。 关键词：智能天线、m i m o 、双极化天线、t d s c d m a 、波束赋形 r e s e a r c ho nt h ei n t e g r a r l 0 no fs m a i 汀 a n r e n n aa n dm i m o a b s t r a ( 了r s m a r ta n t e n n aa n dm i m oa r eb o t hm u l t i a n t e n n a t e c h n o l o g i e s w i d e l yu s e di nt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h e ya r e b a s e do nv e r yd i f f e r e n tt h e o r i e sa n de a c hh a si t s u n i q u ea d v a n t a g e s s m a r ta n t e n n aw o r k sw e l lw i t hl i g h t m u l t i - p a t he f f e c tw h i l em i m o w o r k sw e l lw i t hs e r i o u sm u l t i p a t he f f e c t i t sa ne s s e n t i a li s s u e t o i m p l e m e n tb o t ho ft h e s et w ot e c h n o l o g i e si nt h es y s t e ma tt h es a m et i m e i no r d e rt og e tg o o dp e r f o r m a n c ei nv a r i o u ss c e n a r i o s t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e ss o l u t i o n so nh o wt oo b t a i nm i m og a i nw i t ht h ep r e c o n d i t i o n o ft d s c d m as m a r ta n t e n n al a i d ，d e l i v e r sap r o p o s a la f t e rc o m p a r i n g t h es i m u l a t i o np e r f o r m a n c ea n da n a l y z i n gt h o r o u g h l y c h a p t e ro n eo ft h i sp a p e rb e g i n sw i t ht h ee v o l u t i o nw a yo fp h y s i c a l l a y e rt e c h n o l o g i e s i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，a n d i l l u m i n a t e st h e t h e o r i e so fs m a r ta n t e n n aa n dm i m o ，t h e ng i v e so u tas u m m a r yo ft h e m a i nc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e r i nc h a p t e rt w o ，t y p i c a la p p l i c a t i o n so f s m a r ta n t e n n aa n dm i m oa r ei n t r o d u c e da l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e mi nb o t hi n d u s t r ya n ds t a n d a r d i z a t i o n c h a p t e rt h r e ei n v e s t i g a t e st h e p o s s i b l ea p p r o a c h e s t oc o m b i n et h e s et w ot e c h n o l o g i e s ，a n dp r e s e n t s s e v e r a lk n o w ns o l u t i o n sw i t hc o m m e n t s ，t h e np r o p o s e sas o l u t i o nu s i n g c r o s s - p o l a r i z e da n t e n n a si nt d s c d m as y s t e mt oo b t a i nm i m og a i nv i a p o l a r i z a t i o nd i v e r s i t y a st h eb a s i so fs i m u l a t i o n ，c h a p t e rf o u rm a i n l y d i s c u s s e st h ef r a m es t r u c t u r eo ft d s c d m aa n dt h ed u a l - p o l a r i z e d a n t e n n at e c h n o l o g y c h a p t e rf i v ea n ds i xd e s c r i b et h ed o w n l i n ka n d u p l i n ks i m u l a t i o ns c h e m ei nd e t a i l s i m u l a t i o ni sd e v e l o p e dt ov e r i f yt h e p e r f o r m a n c eo ft h e s es o l u t i o n s ，a n dt h e ya r ep r o v e dt ob ee f f i c i e n t i nt h e l a s tc h a p t e ro ft h i sp a p e r , ap r o p o s a lo nh o wt oi m p l e m e n tt h e s es o l u t i o n s i sd e l i v e r e dn o to n l ya c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i sb u ta l s ow i t hp r a c t i c a lf a c t o r ss u c ha sf i e l dc o n s t r u c t i o nt a k i n g i n t oc o n s i d e r a t i o n ap r o s p e c to fa n o t h e ra p p r o a c hi sa l s om a d ea st h e w o r kt ob e d o n en e x ts t e p k e yw o r d s ：s m a r ta n t e n n a ，m i m o ，c r o s s p o l a r i z e da n t e n n a ， t d - s c d m a , b e a m f o r m i n g i v 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：菌翌日期：丝监! ：翌 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：蛰翌 导师签名：翌：莹呈： 日期：迎塑：三：望 日期：翌! ：兰兰 一 北京邮电人学硕上研究生学位论文智能天线jjm i m o 技术结合研究 1 1 引言 第一章绪论 下一代移动通信中，主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下 满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的 安全保密性能。这其中一个研究的重点就是加强空间域与传统的时、频域相结合 的研究，开发空域在移动通信中的巨大潜力。也就是使用多天线技术充分利用空 域信息以改善通信质量增大系统容量。 具体实现的技术路线有两条： 从目前的小区天线一智能式小区天线一切换式智能天线一自适应式智能 天线。它是以抑制滤除干扰、集中信号能量，跟踪用户来改善性能，提 高抗干扰性并增大容量。这一思路是受雷达技术中自适应阵列理论与技 术的启发与引导，但是应注意两个领域中的相同点与相异点，不能生搬 硬套。 从目前的接收端空间分集技术一发送端分集技术一空时码与发送分集的 相结合一m i m o 与空时码的结合。它是基于无线通信中传统的分集机制， 提高发送与接收的综合效应来改善性能、提高抗干扰性，并起到增大容 量、改善质量的目的。但是应特别注意的是，这一思路原来仅适合于单 用户信道，而移动通信是属于多用户信道，所以使用时应考虑先决条件， 并应做进一步分析与研究。 下面将分别阐述这两条技术路线即智能天线和m i m o 的基本原理。 1 2 智能天线的基本原理 a a s ( a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m ) 即自适应天线系统，或称丸认( a d a p t i v e a n t e n n a a r r a y ) 自适应天线阵列，最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来 完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。 移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸引人的名字：智 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文智能天线。jm i m o 技术结合研究 能天线，英文名为s m a r ta n t e n n a 或i n t e l l i g e n ta n t e n n a 。 智能天线技术的主要任务就是研究如何获取和利用接收信号中包含的空间 方向信息，并通过阵列信号处理技术改善接收信号的质量，从而提高系统的性能。 一个典型阵列天线接收系统如图1 1 所示。系统由三部分组成：实现信号空间过 采样的天线阵列，对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络，更新合并权值的 控制部分。这其实是智能天线用作接收天线时的结构，当用它进行发射时结构稍 有变化，加权器或加权网络置于天线之前，也没有相加合并器。 7， l 卜 蜘段 r 捩卜 - a dl 3 0 ( 0 。j 。 一 控制矗 i ”o 1 、 7 儿( ，( i r h 镗收。搀卜 a dl i ， ”t l h 、r ( t ) 7 ： ，、 + ， m - i (l i | i 。i - i 譬薯 铸譬 坛收? f 0 转搀- - i 1 + au 7 】”h i l | 迅胞 钾土 天线i 诅歹0波求成掣l 唾络 图i - i 一个典型智能天线接收系统 假设满足天线传输窄带条件，即某一入射信号在各天线单元的响应输出只有 相位差异而没有幅度变化，这些相位差异由入射信号到达各天线所走路线的长度 差决定。若入射信号为平面波( 只有一个入射方向) ，则这些相位差由载波波长、 入射角度、天线位置分布唯一确定。给定一组加权值，一定的入射信号强度，不 同入射角度的信号由于在天线间的相位差不同，合并器后的输出信号强度也会不 同。 智能天线通过阵列的加权合并完成波束成型和空域滤波的作用。波束成型也 就是，在阵列方向图上对波达方向形成指向性波束而对其他方向形成较低增益。 空域滤波是指，只有在特定入射方向的信号被放大，而其他方向入射的信号被衰 减掉了，是一种与空间方向有关的选择性接收作用。这样得到的智能天线的阵列 方向图应具有下列特征：有主瓣和副瓣等；通常主瓣较窄；主、副瓣大小和位置 关系较灵活；天线增益较大。另外，由于不同的权值通常对应不同的方向图，智 能天线可以通过自适应算法调整权值以得到最合适的方向图，即天线模式 ( a n t e n n ap a t t e r n ) 。 北京邮电人学硕j ：研究生学位论文 智能天线与m i m o 技术结合研究 1 3m i m o 的基本原理 多输入多输出( m i m o ) 技术通过空间复用，使频谱效率得以成倍提高。空 时编码技术正是在此基础上发展起来的一种新的编码和信号处理技术，它将信道 编码技术与阵列处理技术相结合，大幅度地提高无线通信中的系统容量和传输速 率。m i m o 系统是指发射端与接收端都有多个天线的通信系统，如图1 2 所示。 m i m o 技术可以视为智能天线技术的一种扩展。但是传统的智能天线的智能 体现在天线加权选择算法上，而m i m o 系统强调的是信号的编解码处理。m i m o 系统与智能天线的不同在于它能够同时获得发送和接收分集增益。 x o ) j ，( f ) m ，发送天线 m i m o 技术提供了阵列天线应用的新思路并更着重于空时联合处理( s p a c e 一面m ep r o c e s s i n g ) 。通过在接收端和发射端空时二维甚至空时频三维的联合设 计和优化的编码、调制，m i m o 系统能极大改善通信链路的容量和通信可靠性。 t e l a t a r ，f o s c h i n i 等人已从理论上证明了收发端均使用多天线可以使通信链路容 量成倍的增加，即在m r 发射天线，m 。接收天线的m i m o 系统中，信道容量随 m i n m r ，m p 】线性增加。m i m o 技术的一个最主要的特性在于它将无线信道的多 径效应，这一制约传统通信方式的因素，转变为有利于通信的因素，而非试图对 抗它。 1 4 本论文的主要工作和内容安排 m i m o 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个时间域 和空间域结合起来进行信号处理。因此，某种程度上m i m o 技术可以看作是智 能天线的扩展。从本质上看，智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系， ) 一 ) 一 o o一 型鲨： 北京邮1 1 1 人学硕。i ：研究生学位论文智能天线与m i m o 技术结合研究 即利用了信号的相位关系，利用了多个阵元接收信号的相关性，这是它与传统分 集技术的本质区别。从一定意义上看，智能天线可以看作是一种空分多址s d m a 。 在s d m a 中，多个用户可共享一个通道，这将极大地增加系统容量。而m i m o 空时处理利用的是多个天线之间的独立性进行分级合并处理。且智能天线的研究 背景是基于雷达和声纳信号处理，主要侧重于研究各种自适应算法；而m i m o 空时处理的研究背景是基于多天线信息理论。这样看来，这两种技术的原理差异 非常大，二者各有优势，智能天线在多径效应较轻情况下性能较好，m i m o 在多 径效应较重情况下性能较好，如何使两种技术同时在系统中被使用，在不同场景 下都能获得较佳性能是一个很关键的问题。 本论文首先研究了智能天线和m i m o 这两种多天线技术的原理、代表性技 术、应用情况，探讨了这两种技术的结合的可能性，介绍并分析了已有的结合方 案。然后在这些工作的基础上以双极化天线为切入点提出用于t d s c d m a 系统 的新的结合方案，并对新方案和已有的部分方案进行了仿真比较，验证了新方案 的设想。 论文的第一章从移动通信的发展方向切入，简要介绍了智能天线和m i m o 的基本原理，并陈述了论文的内容安排。第二章介绍了智能天线和m i m o 的代 表性技术、工程应用发展情况以及标准化情况。第三章分析了这两种多天线技术 的可能性，介绍已有的结合方案并提出新方案。第四章为新方案的背景铺挚，介 绍了t d s c d m a 系统的帧结构和关键技术，介绍了双极化天线，还概述了仿真 的安排。第五、六章分别为详细的下行和上行仿真方案，包括仿真假设、仿真场 景、仿真结果、性能分析等。第七章对本文进行了全面的总结，依据各种结合方 案在不同场景下的性能及其工程复杂度等因素，对它们的应用提出了建议，并指 出了未来的研究方向。 4 北京邮电大学硕j ：研究生学位论文智能天线jm i m o 技术结合研究 第二章智能天线与m i m o 技术简介及应用 2 1 智能天线的代表性技术 由于移动通信的高度灵活性和方便性，使其发展非常迅速，目前扩大系统容 量已成为移动通信发展中的一个瓶颈。由于移动通信可使用的频率资源有限，因 此，开发和扩大空间资源与频率资源的组合以满足日益增长的用户需求已成为目 前于今后的一个主要发展方向。使用智能天线技术可以提高频谱效率，且容易获 得较大的天线增益，有效抑制呼吸效应。借助智能天线可以对时延不可分但角度 可分的多径进行进一步分离，从而更有效减小多径效应。智能天线另一个可能的 用途是进行紧急呼叫定位，并提供更高的定位精度，因为在获得可用于定位的时 延、强度等信息的同时，它还可获得波达角信息。 智能天线在第三代和未来的移动通信中将主要用于基站，亦即基站的上行接 收与下行发射中。由于移动台特别是手机受到体积、电源、重量等方面的限制， 采用智能天线比较困难。 2 i 1 智能天线的上行接收技术 对智能天线上行接收技术的研究起步较早，相对也比较成熟一些。智能天线 的上行接收目前主要有两类方式：基于预波束的波束切换方式和基于全自适应的 窄波束跟踪用户方式。 在波束切换天线中，阵列加权矢量是预先设计好的，因此天线的工作模式( 方 向图) 有限，只能在几种波束覆盖模式中选择，随着用户在小区中的移动，基站 选择不同的相应波束，使接收信号最强。波束切换智能天线利用多个并行波束覆 盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随阵元数目的确定而确定。 因为用户信号并不一定在固定波束的中心处，当用户位于波束边缘、干扰信号位 于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号的最佳接收。但是 与自适应阵列天线相比，多波束天线具有结构简单、无需判定用户信号到达方向 北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文智能天线jm i m o 技术结合研究 的优点。对波束切换天线，核心的任务是如何设计阵列加权矢量集合，在实现全 部用户区域覆盖的同时获得最好的接收效果。基于权值设计的预波束成型方法较 典型的有：b u t l e r 矩阵法、单用户角度匹配法和多用户角度匹配法。 全自适应阵列天线是智能天线技术的研究重点和发展方向。由于阵列天线具 有确定的拓扑，能实现对信号的空间过采样，因此接收到的信号中包含了空间方 向信息。但在实际系统中，这种方向信息往往受到干扰、噪声及信道特性的影响。 在自适应天线阵列技术中，核心问题就是如何在干扰和噪声中提取期望信号。在 自适应天线阵列的发展过程中，主要的研究集中于以下几个问题，即基于d o a 估计的自适应算法、基于导频的自适应算法及盲自适应算法。 2 1 2 智能天线的下行发射技术 基站智能天线下行发射的实现比基站上行接收困难得多。它的主要问题除了 上行接收中的困难仍然存在外，还由于智能天线在设计下行发射窄波束时，很难 获得下行信道准确实时的特征信息，然而，智能天线的理想工作模式应是与下行 实时信道特性相互统计匹配的。 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 均采用频率双工双向的f d d 方式，其上下行频段 相差9 0 m h z ，已远远超过在2 g 频段上的信号相关空间。也就是说上下行信道的 信号衰落是完全独立的，从而无法利用上行信道的信号衰落特性来估计下行衰落 特性。因此此时采用智能天线技术的可行方式就是利用反馈回路构成闭合环路， 即移动台利用反馈回路将下行信道状态信息不断反馈给基站，以提供下行信道状 态，这一方案可行但实现复杂且会增大系统开销。 实现下行发送的另一种方案是直接利用上行信道信息估计下行信道状态，这 一方案仅适用于时间双向、双工的t d d 方式。因为对于t d d 方式而言，其上下 行占用同一频段，不同的仅是时隙不一样，只要上下行时隙帧的长度较短( 一般 小于1 0 m s ) ，这样的方案显然是可行的。但是这种方式还有一个缺陷就是不能用 于高速移动的系统，因为在高速移动的情况下信道变化太快。 2 2 智能天线的发展 智能天线技术是t d s c d m a 的物理层关键技术之一，从某种意义上讲 t d s c d m a 是基于智能天线设计的。随着t d s c d m a 商用测试的深入，智能 天线的相关产品也同趋成熟，商用测试形势乐观表明智能天线性能优越。 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文 智能天线jm i m o 技术结合研究 除中国外，美、英、日、韩等各国也对智能天线进行了性能测试和试验。在英国 进行的t s u n a m ii i 项目，在d c s l 8 0 0 系统的基础上，通过使用8 副各自由8 个元素构成的天线阵列对智能天线在宏蜂窝和微蜂窝网络中的性能情况进行了 现场试验。试验结果表明：智能天线在宏蜂窝的网络结构中能使系统获得极为可 观的载干比增益且能大幅度增加系统容量；微蜂窝的网络结构下智能天线的性能 增益不如宏蜂窝的情况但大部分自适应算法也能够取得相当的性能增益。在此之 后的s u n b e a m 项目把在d c s l 8 0 0 系统上的试验结果进行了扩展，对智能天线 在3 gw c d m a 中的应用进行了研究；与此同时，在美国、日本和韩国等地方也 报告了关于智能天线性能的相关试验和研究结果。 2 3m i m o 的代表性技术 目前的m i m o 技术具代表性的有空时块编码( s p a c et i m eb l o c kc o d e ) 、分 层空时码( l a y e rs p a c e t i m ec o d e s ，简称i s t ) 、空时格码( s p a c et u n et r e l l i s c o d e ) 。 s t b c 编码最先是由a l a m o u t i 引入，在发送端信号经过简单的编码映射，然 后经过n 副天线同时发送：在接收端已准确知道信道传输特性的情况下，采用 一些简单的信号处理技术，即可获得与n 副天线接收分集相同的性能。a l a m o u t i 方案虽然只有分集增益而没有编码增益，但由于采用了正交编码矩阵，能带来接 收译码复杂度的大幅度降低。t a r o k h 等人应用正交编码的理论将a l a m o u t i 方案 进行了扩展，提出了一般的正交空时块码设计方法。这些s t b c 码可以获得完全 的分集增益，并且只需要利用线性信号处理进行简单的最大似然译码。 l s t 最早是贝尔实验室的f o s c h i n i 等人提出的，是典型的空间复用系统。分 层空时码实际上描述了空时多维信号发送的结构，它可以和信道编码进行级联， 如果和编码器结合就可以得到各种结构的分层空时码，如h l s t 、对角化分层空 时码d l s t 、螺旋分层空时码1 1 t 等。最简单的未编码分层空时码就是 v - b l a s t ，即垂直结构的分层空时码。v - b l a s t 系统将高速信源数据流按照发 送天线数目串并变换为若干数据流，独立地进行调制，然后分别从各副发送天线 上发送出去。接收端接收机按照一定的译码算法分离独立的数据流。由于这些数 据流占据相同的频带，因此系统的频谱效率得到极大提高，纯粹的空间复用系统 能提供的分集增益很有限，取决于它的天线数目。它追求的是速率的最大化。系 统可能获得的最大的复用增益为厂一m i n m r ，m 。】，m r 和m r 分别表示发射天线 数和接收天线数。 空时块码能够获得分集增益，但不能提供编码增益。分层空时码能够极大的 北京邮电人学硕i ：研究生学位论义 智能天线l jm i m o 技术结合研究 提高系统的频谱效率，但他一边不能获得完全的分集增益。t a r a k h 、s e s h a d r i 和 c a l d e r b a n k 首次提出将信道编码、调制及收发分集联合优化的思想，构造了空时 格码( s 1 1 r c ) 。s t t c 既可获得完全的分集增益，又能获得很大的编码增益，同 时还能提高系统的频谱效率。s t r c 是将经过编码后的数据分成n 个数据流，然 后通过1 1 个天线同时发送到无线空间。在接收端，可以用单一天线，也可用多个 天线进行接收，每一个接收天线接收到的是n 个发送信号与干扰噪声线性的叠 加，然后通过最大似然检测的方法，正确地识别出发送信号。空时格状编码的不 足之处是随着信息传输速率增加，接收端译码复杂度成指数增长。 2 4m i m o 的发展 m i m o 技术自1 9 9 8 年贝尔实验室开创性的实验验证了v - b l a s t 的可行性 之后就引发了人们的广泛研究。m i m o 无线传输技术发展至今，理论同渐成熟， 而现场测试亟待进行。国外很多研究机构纷纷进行实验平台开发与外场测试，并 有大量实验结果发表，如国内电子科技大学与东南大学的室内外m i m o 实验， 国际上v - b l a s t 的可行性验证实验、i s tm e t r a 项目的室内外实验与b y u 的 室内m i m o 实验等，它们极大地促进了m i m o 技术的发展。诸多无线产品厂商 共同合作，也提出了各种以m i m o 技术为基础的解决方案，并进行m i m o 芯片 的开发。爱立信提出了基于m i m o 的h s p a ，北电提出了基于m i m o 的w i m a x 解决方案。m i m o 芯片制造商a i r g o 开始试产第三代m i m o 芯片，并同l i n k s y s 公司一起研发第四代产品。总之全球的m i m o 芯片市场同益壮大为m i m o 技术 的商用打下基础。 2 5 无线标准中的多天线技术 2 5 1 标准化情况概述 多天线技术在l t e 、w i m a x 、h s p a + 中均有应用，应用情况见表2 1 。 l t e 中下行多天线技术有三种模式：空间复用、空间分集、波束赋形。前二 者是典型的m i m o 技术，后者则是典型的智能天线技术。但是对于l t e 的下行 波束赋形还没有成型的解决方案。上行支持m u m i m o ( m u l t i u s e rm i m o ，多 北京邮电大学硕士研究生学位论文 智能天线jm i m o 技术结合研究 用户m i m o ，基站侧多天线，每个终端有一个或多个天线，多用户共享相同的无 线资源) ，当前版本还不支持s u m i m o 6 l ( s i n g l e u s e rm i m o ，单用户m i m o ， 或称h i g hs y m b o lr a t em u l t i - a n t e n n at r a n s m i s s i o n ) 。见表2 2 。 8 0 2 1 6 2 0 0 5 协议中支持m i m o 和智能天线两种不同的多天线实现方式。具 体见表2 - 3 。 表2 - 1 多天线技术在l t e 、w i m a x 、h s p a + p 的应用 多天线技术接 l r ew i m a xh s p a + 入技术 m u m i m 0 ： m u m i m o接收分集 上 将来可能支持s u m i m o 行 1 2 ，1 4 m i m o s u m l m o ( m c w ) ； s u m i m o ( s c w ) ；发送分集； 下 m u - m l m 0 ： 发送分集 s u m i m o ( m c w ) ： 发送分集 行 f d d ：d - t x a a ： 2 * 2 ，4 * 2 ，4 * 4 t d d ：眦c 上n | 久n an a 行 智能天线 下 波束赋形 o p t i o n a l 支持 行 表2 - 2l t e 中的m i m o 技术 l t em i m o ( 包含分集和复用) 控钷信道( 无复用模式)数据共享信道( d s c h ) 共享控制信 s c h b c h 复用( s m )分集( t d ) 道( c c c h ) 以最天线数未定，但基本1 定义了2 天线s u m l m o 的码下行朱定，有s t b c s f b c 、 优化和分集倾向是：本； c d d ( c y c l i cd e l a yd i v e r s i t y ) 、 单天方式必2 天线：2 t d d 也使爿j 基于码本的预编 t s t d f s t d ( t i m e f r e q u e n c y 线为 须一一c d d 或者码：s w i t c h e dt r a n s m i td i v e r s i t y ) 、 准则，对应，s f b c3 定义了从码字流到层的映射方p r e - c o d e dt r a n s m i s s i o n 等，但 协议以减少4 天线：式且规定 l 堰q 进程号和码字流主要是： 可以信令开 s f b c + c d d ， 之间的映射是没有任何约束关系 c d d v s s f b c 不作销或者 的) ； 上行在第一版本支持天线选 规定 s f b c + f s t d 4 n o d e b 可以忽略l i e 的秩反馈择的分集模式 内容； 5 第一版本上行只支持 m u m i m o ，不支持s u m i m o 北京邮 【1 人学硕 ：研究生学位论文智能天线jm i m o 技术结合研究 表2 - 3w i m a x 中的多天线技术 w i m a x 中的多大线技术 智能大线 m l m o ( 可选，上下行都可选择支持) 1 、空时发射分集s t r d 模式； 1 、 多波束选择的方式； 2 、空间复用( s m ) 模式；2 、自适应的方式。 3 、 分集与复用相结合的混合( s t t d & s m ) 模式； 4 、智能m i m o 。 2 5 2 标准化中的m i m o 方案 目前在3 9 p p 中已经通过决定：【1 1 l 【1 3 】 对于u t r a t d d 采用p a r c 方案 对于u t r af d d 采用基于d t x a a 的双码字m i m o 方案，下行在 h s s c c h 信道上发送权重。 下面就简要介绍这两种m i m o 方案： 1 p a r c 1 2 i 方案：p e ra n t e n n ar a t ec o n t r o l ( u t r at d db o t hh c r & l c r ) 一种多码字m i m o 方案。即多个独立编码的数据流同时并行发送。下图以 两天线m i m o 为例，n o d eb 根据u e 提供的两个c q i ( c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r ) 值为各数据流选择合适的调制编码方式。 若为支持m i m o 的u e 分配了两个h s s c c h 则为空间复用，若分配一个 h s s c c h 则为空间分集。 o _ n - _ o c h 啊 一 甲r = = = 丫d m 黪秀雾骜溺 。广j p 晰撑 蘸霸 m s p i n a 帅al 一科+ - 一x 卜刊二? ! _ j 7 l_ j l 二：二l 豁：二毒：；鞠 。v 融赫i 霜 l l 4 m 委) h 竺竺l - j + 翻墓毳霭 冒s p r e a d l n g 7 l _ j 一l = ：! j 怔竺e 唑b 图2 - 1p 根c 方案1 1 2 i 2 d t x a a i l 4 1 方案：d o u b l et r a n s m i ta n t e n n aa r r a y 北京邮电人学硕l 研究生学位论文智能天线。jm i m o 技术结合研究 一种通过空间复用传送多流的m i m o 策略。将发送端的天线分成两组分别 传送独立数据流，各数据流的速率控制相互独立，其m c s ( m o d u l a t i o n & c o d i n g s c h e m e ) 也可以不同。下图以4 根发送天线2 根接收天线为例。 图2 - 2d t x a a 方案【1 4 1 n o d eb 依据u e 发送的c q i 反馈为各天线子集传送的数据流选择m c s ，各 天线子集分配的o v s f 码个数取决于n o d eb 为之选择的m c s 。 d t x a a 技术的本质基于天线的波束成形( 通过反馈的权重在发端形成隐性 的波束) ，故不适用于配置横向极化天线的n o d eb 。而且由于发射功率动态分配 给两个数据流，会造成系统内干扰波动太大( f l a s h l i g h te f f e c t ) 。 2 5 3 标准化中的智能天线方案 现有t d s c d m a 系统的智能天线方案( 室外宏蜂窝) 是将智能天线置于 n o d eb ，u e 采用单天线。在上行，采用智能天线和多小区联合检测。用于接收 的智能天线实际上是进行最大比合并，在功率上形成隐性的波束。在下行使用智 能天线发射就是利用波束赋形增强信号功率和扩大覆盖范围。 t d s c d m a 系统的智能天线由8 个阵元组成，采用的阵元间距为v 2 ( 线性 阵的阵元间距如果超过垅，则会出现栅瓣，导致阵列产生不希望的波束，而可 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文智能天线与m i m o 技术结合研究 能放大噪声或干扰) 。原理是一组天线和对应的收发信机按一定的方式排列和激 励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用数字信号处理方法 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可以达到提高信噪比降低发射功率的目的。 t d s c d m a 智能天线要实现两种波束，一种是广播波束，一种是业务波束。 广播波束是在广播时隙形成，要实现对整个小区的广播，所以要求波束宽度很宽， 尽量做到小区无缝隙覆盖。业务波束是在建立具体的通话链路后形成，也就是形 成跟踪波束，此时它会针对每一个用户形成一个很窄的波束，而且这些波束会紧 紧地跟踪用户。由于波束很窄，能量比较集中，在相同的功率的情况下，智能天 线能将有用信号强度增加，同时减小对其它方向用户的干扰。 智能天线算法主要分为切换波束算法和自适应算法两大类。在t d s c d m a 系统当中，两种算法都有应用。自适应算法与切换波束算法比较，在很多方面， 诸如在最大化期望用户接收功率，减少对非期望用户的发射功率，以及灵活适应 各种不同天线阵列类型等方面更有优势。同时，自适应算法在波束产生上并不拘 于固定方向和形状，因而更加灵活并且可以更准确地对用户所在实际位置进行赋 形。在多径环境下，指向用户的波束也可能会有多个，其根本目标仍是提高期望 用户的载干比并避免对其它用户形成干扰。综合来看，自适应算法将会是智能天 线波束赋形算法发展的方向。 北京邮电大学硕上研究生学位论文智能天线o jm i m o 技术结合研究 第三章智能天线与m i m o 技术的结合 3 1 结合可能性分析 m i m o 技术实质上为系统提供空间复用增益和空间分集增益。m i m o 通信 中，空间复用是将输入数据分成多个子流，每个子流从不同的天线发送出去，在 同一频带上使用多个m i m o 子信道，从而使得容量随着天线数量的增加而线性 增加。如果在发射端和接收端之间安装多个天线，只要天线之间的距离足够远， 就可以认为在发射端和接收端之间建立了多条独立同分布的空间信道，从而在空 域引入了冗余，实现空间分集。设发端m 根天线，收端，根天线，当发射天 线间距大于等于1 眠，接收天线间距大于等于m ，就可以近似认为每对收发天 线之间的传播路径相互独立，这样就在收发天线阵之间建立了，r 条独立同 分布的传播路径。 如果将智能天线与m i m o 技术相结合，那么我们的期望是所形成的系统不 但能提供智能天线技术所带来的天线增益，还应带来提高系统传输质量的分集增 益。在智能天线技术基础上，如果要获得分集增益，在阵元之间寻求这种可能性 是不现实的做法，因为阵元间距m ，彼此之间存在很强的相关性。那么要弱化 相关性，可以从以下两个方向着手：空间，极化。 空间分集，此时要将天线尽量拉开距离，以满足较低的衰落相关性。衰落相 关性依赖于天线间距和角度扩展，角度扩展即角度分布的标准差。对于户外系统 来说，基站端的角度扩展可能仅仅为几度，所以天线的水平间距为1 0 ：k 2 0 l 是必 须要满足的条件。因此，我们在分析性能时，存在将等效m i m o 的平均间距设 为l 舐的情况。 极化分集，可以采用两个相互垂直的极化方向来满足较低的衰落相关性，例 如水平极化和垂直极化。这些正交极化后的天线阵元彼此间的相关性很小，而且 组合成的天线体积会相应缩小。 北京邮i 乜人学硕i ：研究生学位论文 智能天线jm i m o 技术结合研究 3 2 已有的结合方案 3 2 1t d s c d m a 天线分组方案 此方案是在已架设t d s c d m a 的智能天线基础上获得m i m o 增益( 室外宏 蜂窝) 。将原n o d eb 侧的八天线阵分成两个子阵，每个子阵四根天线，每个子阵 内部的四根天线工作在智能天线模式，两个子阵之间是广义的两天线m i m o 。 n o d eb 通过上行信道估计获取两个子阵信道相关性的信息，以此为依据在空间 分集和空间复用两种模式间切换以获得最大增益。这种切换只针对任一u e 进行， 不影响其它t i e 。此方案的优点是不需要对现有天线阵列结构作任何改动，缺点 是两个广义发射天线问具有较强的相关性，不能满足m i m o 技术的应用前提， 难以获得较好的m i m o 性能增益。 在此方案基础上，将两个天线子阵进行拉远，使天线子阵之间的间隔由2 九 扩大为1 0 l ，以降低子阵之间的相关性。这样原有天线阵列结构需要改动，需要 更大的架设空间。 3 2 2t d s c d m a 远端阵元方案 此方案也是在已架设t d s c d m a 的智能天线基础上获得m i m o 增益( 室外 宏蜂窝) 。本方案在特定情况下只选用远端天线阵元作为发射天线，中间天线阵 元不做发射，也不需要对现有天线阵列结构作任何改动，但对远端天线阵元需要 采用与中间天线阵元不同的功放，而且即使是远端天线阵元之间在理论上也存在 较强的相关性，不能保证获得较好的m i m o 增益。 3 2 3t d - s c d m a 双波束赋形方案 此方案也是在已架设t d s c d m a 的智能天线基础上获得m i m o 增益( 室外 宏蜂窝) 。利用原n o d eb 的8 天线形成两个波束。即在对接收到的信号矩阵做奇 异值分解时选取最大的两个特征值对应的特征向量来进行赋形，得到两个波束。 用这两个波束来做m i m o 。本方案也不需要对现有天线阵列结构作任何改动，只 需要改动算法以获得两个较强的波束。但对于单用户单天线的情况，这种方案很 难区分出两个波束，无法实现。对于单用户双天线的情况，只有两个点到点的路 北京邮电人学硕i ：研究生学位论文智能天线jm i m o 技术结合研究 径，分集增益受损。 3 2 4u m b 方案【1 5 】 u m