作者：趙紹剛

    介紹了智能天線收發機結構的最新進展及其優點，探討了無線通信智能天線技術的未來發展趨勢以及所面臨的問題。

    要害詞智能天線無線通信分集　波束成形

    1、引言

    智能天線原名自適應天線陣列(AAA，AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天線技術主要用于雷達、抗干擾通信、定位及軍事通信方面等，完成空間濾波和定位功能。近年來，隨著移動通信的發展以及對移動通信電波傳播、組網技術、天線理論等方面的研究逐漸深入，智能天線開始用于具有復雜電波傳播環境下的移動通信。為此，移動通信研究者給應用于移動通信的自適應天線陣起了一個較吸引人的名字——智能天線(英文名為SmartAntenna或Intelligent Antenna)。

    智能天線系統在無線鏈路的發射端和/或接收端帶有多根天線，為了利用移動無線信道的空間特征，智能天線系統中的信號都進行了自適應處理。根據信號處理是位于通信鏈路的發射端還是接收端，智能天線技術被定義為多入單出(MIS0，MultipleInputSingleOutput)、單入多出(SIM0，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)。充分利用空間維數可以增加無線網絡的容量。

    在無線通信技術的發展中，智能天線已成為一個最活躍的領域，近年內，幾乎所有先進的無線通信系統都將采用此技術。智能天線技術對無線通信系統所帶來的優勢是目前任何技術難以替代的。智能天線技術已經成為無線通信中最具有吸引力的技術之一。

    到目前為止，無線系統中的智能天線都被作為增強技術，在它們的設計階段都沒有考慮復雜度和性能折衷的優化；而在下一代無線系統中，智能天線技術將是系統設計固有的部分。目前對于智能天線的研究主要集中在下列幾個方面：

    (1)高級智能天線處理算法的設計和開發，該算法對變化的傳播特性和網絡條件具有適應性和健壯性。

    (2)系統性能的優化策略和不同無線系統、平臺之間的透明操作。

    (3)根據信道和干擾模型對提出的算法和策略進行實際性能的評估，研究合適的性能度量和仿真方法。

    2、智能天線收發機結構

    在如圖1所示的一個多發射多接收天線系統中，發送的數據塊需要進行編碼和復星座圖的映射。在空時加權后，每個符號被映射到一個發射天線；信號通過無線信道后，在接收天線中首先進行解復用，然后通過加權、解調、解碼來恢復最初的發送數據。

    圖1  智能天線收發機結構

    對于MISO或者MIMO信道，一些文獻中給出了大量的發射機制，這些機制分別可以使頻譜效率最大、速率最高、信噪比最大(SNR，SignaltoNoiseRatio)，它們都依靠信道狀態信息(CSI，Channel State Information)在發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射端。然而，對于頻分雙工(FDD，Frequency Division Duplex)系統則必須考慮到信道的互易性。信道估計可以通過發射練習序列方法或者盲估計來獲得。盲估計通常是利用接收到的信號的一些特性，比如恒定包絡和有限字符等進行估計。

    對于發射端不需要CSI的發射機制，可以通過引入空域編碼或者采用空間復用增益來利用空間維數?？沼蚓幋a方法是通過增加空間和時間的冗余度；空時編碼則是在不同的天線上發射同一信號的編碼冗余形式。接收到的信號通過最大似然(ML，MaximumLikelihood)譯碼器進行檢測。最早的空時編碼是空時格碼(STTC，Space-TimeTrellisCode)，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射天線的數目，提供的編碼增益取決于碼字的復雜度而無需犧牲帶寬效率。空時分組編碼(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。用于兩根發射天線的STBC碼(由Alamouti提出的)已經被第三代移動標準采納?？諘r編碼技術一般假設CSI在接收端是完全已知的，當CSI在兩端都未知時，人們提出了酉空時編碼和差分空時編碼。

    分層空時結構通過在水平層上或者對角層上發送獨立的編碼數據流來獲得空間復用增益。所謂的垂直貝爾實驗室分層空時(V-BLAST，VerticalBellLabsLayered Space-Time)編碼就是這種結構。為了檢測出發送的數據，接收機必須對空間信道進行解復用，為此出現了各種不同的方法，如迫零(ZF，Zero Forcing)方法、最小均方誤差(MMSE，Minimum Mean Square Error)方法和最大似然(ML，Maximum Likelihood)方法。ZF方法利用了矩陣的逆，算法比較簡單，但是性能通常不好；MMSE算法的性能要優于ZF，而且具有健壯性；ML方法是最優的，但是復雜度也最高，尤其是當收發天線數目很大時。

    在大多數情況下，假設CSI的部分信息在發射端已知是合理的，因而就此提出了空時編碼和波束成形相結合的混合機制。這些預編碼在優化某個標準時都利用了有效的CSI。

    在SIMO或者MIMO通信鏈路的接收端，接收機或者均衡器利用多徑信號重構發射信號。在非頻率選擇SIM0信道下，最優接收機制是進行最大比合并(MRC，MaximumRatioCombining)；而對于頻率選擇SIMO信道，最優接收機制是ML檢測，但它是非線性的，其復雜度與天線數目成指數關系(可以用線性譯碼器來代替，但是性能會有所下降)。ZF均衡器通過信道的逆可以消除符號間干擾(ISI，InterSymbolInterference)，但是其代價是對噪聲產生了放大。MMSE接收機可以在噪聲放大和ISI消除之間進行折衷?；谂袥Q反饋的一種次優非線性機制判決反饋均衡(DFE，Decision Feedback Equalizer)可以用于改善線性均衡器的性能，它通過反饋濾波器將以前符號產生的部分ISI從目前的符號中消除。ML和線性均衡都可以擴展到MIMO信道中，與MIMO接收機相關的問題就是多流干擾(MSI，Multistream)的存在。MSI會導致多個數據流之間的相互干擾。非線性連續抵消均衡器或者V-BLAST均衡器可以將MIMO信道轉換成一些并行信道，但是該機制可能存在差錯傳播現象。

    在多用戶情況下，由于基站與共享有效資源(頻率、時間、碼字等)的多個用戶進行通信，因而此時設計智能天線是有一定難度的，因為它的目的是要優化干擾的影響，而這些干擾主要依靠采用特定的多址方式。

    下面介紹在多用戶MIMO系統中，CSI在基站已知時的幾種線性和非線性處理技術。Tomlinson-Harashima預編碼是一種非線性預編碼機制，它最初應用于SIS0多徑信道，用于克服DFE產生的差錯傳播問題。

    塊對角化(BD，BlockDiagonalization)是多用戶MIMO系統中的一種線性預編碼技術。它把多用戶MIM0下行信道分解為多個并行獨立的單用戶MIMO下行信道。對于信道估計差錯，BD比非線性技術具有更好的健壯性。在發射端發射的每個用戶的信號都用一個調制矩陣表示，該矩陣是其他用戶信道矩陣的零空間，這樣該用戶對其他用戶的干擾就是零。在每個用戶獲得任意速率的約束下，為了得到所需發射功率最小解的封閉形式，零干擾條件可以放寬，這種算法稱為連續優化(SO，SUCcessiveOptimization)算法，它比在低SNR時任何其他BD解的性能都好。

    描述智能天線收發機特征的性能度量為均方誤差(MSE，MeanSquareError)、SNR、誤比特率(BER，BitError Rate)、可達吞吐量、需要的發射功率和信道容量。發射和接收機制都是根據這些標準進行優化的。

    總之，設計MIMO收發機要非凡關注以下4個要害參數：

    (1)在發射端和接收端CSI的可靠性。

    (2)發射信號的特征(調制、復用和練習信息)。

    (3)要優化的性能度量。

    (4)計算復雜度的大小。

    3、智能天線的優點

    在移動通信系統中，由于障礙物的反射，信號會在發射機和接收機之間多次傳播從而形成多徑傳播。這是移動通信中存在的主要問題，被稱為時延擴展(delaysPRead)。由于多徑信號到達接收機的時間不同，因此多徑傳播將導致符號間干擾，這將會嚴重地影響通信鏈路的質量。另一方面，共信道干擾是無線系統容量的主要限制因素，它將影響用戶對有效網絡資源(頻率、時間)的重用。

    智能天線通過利用多徑可以改善鏈路的質量，通過減小相互干擾來增加系統的容量，并且答應不同的天線發射不同的數據。總之，智能天線的優點可以歸納如下：

    (1)增加覆蓋范圍。在接收端由于天線陣列對信號進行相干接收，這樣就會產生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數目成正比。這樣也會延長電池的使用時間。

    (2)降低功率/減小成本。智能天線可以對特定用戶的傳輸進行優化，這樣就會使發射功率降低，從而降低放大器的成本。

    (3)改善鏈路質量/增加可靠性。由于通過獨立的衰落路徑可以接收到獨立的信號副本，而在這些信號副本中一般會有一個或者多個副本沒有受到衰落，這樣多個獨立的維數就會減小信號波動的影響，產生分集。分集的形式包括時間分集、頻率分集、碼分集和空間分集等。當用智能天線對空間域進行抽樣時就會產生空間分集。在非頻率選擇性衰落的MIMO信道中，最大的空間分集階數等于發射天線數目和接收天線數目的乘積。多個發射天線通過采用非凡的調制和編碼機制就可以產生發射分集，而多個接收天線的接收分集取決于對獨立衰落信號的合并。

    (4)增加頻譜效率。通過不同方法精確地控制發射功率就會減小干擾，從而增加使用同樣資源的用戶數目。通過波束成形技術可以產生一種新的多址接入方式——空分多址(SDMA，Space-DivisionMultipleaccess)。SDMA可以實現資源的重用，增加數據速率，從而增加頻譜效率。該增益也被稱為空間復用增益。通過利用多個獨立的空間維數來同時傳送數據，在MIMO系統中這種獨立的空間維數被稱為MIMO信道特征模式。在不相關瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量與收發天線數目的最小值成正比。

    通常設計智能天線主要集中在上面提到的某一種增益，如波束成形、分集增益、復用增益。最近這些增益之間的相互折衷已經成為研究的焦點。

    4、未來無線系統中的智能天線技術

    未來無線系統需要可以適用于各種通信環境的信號處理技術，因此未來智能天線設計的初始階段必須認真地考慮在性能和復雜度之間折衷地優化。下面，我們將介紹未來無線通信中智能天線的發展趨勢和會碰到的問題。

    4.1物理層的可重配置性

    為了使無線通信收發機可以工作在多參數連續改變的環境中，需要在收發機中采用可重新配置的自適應技術來調節結構，從而獲得最好的性能。

    智能天線收發機中的可重配置性可以看作是在各種不同環境中收發機結構的智能切換。例如，已經有專家提出了在MIMO信道中用于空間分集和復用相互折衷的算法。

    4.2不同層之間的優化

    通過由OSI(OpenSystemInterconnection，開放系統互連)模型定義的高層之間的相互作用可以提高整個系統的性能。可以通過結合物理層、鏈路層、網絡層的參數來設計智能天線，也就是說要考慮到各層之間相互關系來設計，而不是單獨考慮某一層。實踐表明，單獨考慮一層的設計方法所得到性能評估是低效的。例如，當引入調度后，通過空時編碼所得到的增益將會減小，甚至會消失。

    在OSI不同層之間交換的信息可以歸類如下：

    (1)CSI：需要估計出信道脈沖響應、定位信息、車載速度、信號強度、干擾強度、干擾模型等。

    (2)QoS相關的參數：包括時延、吞吐量、誤比特率、分組差錯率(PER，PacketErrorRate)等。

    (3)物理層資源：包括空間處理機制、天線陣列的數目、電池電量的損耗等。

    考慮層之間的優化準則是非常重要的。在實際系統中，使用智能天線的鏈路質量不僅取決于采用的數據檢測方法，而且還取決于特定的編碼機制以及在鏈路層采用的媒體接入控制(MAC，MediumAccessControl)功能，甚至取決于高層采用的協議棧性能。因此，在設計時應該綜合考慮上述因素，而不是單獨考慮某一個因素。對于時延不敏感業務，將智能天線技術如V-BLAST同混合自動請求重復(H-ARQ，HybridAutomatic Repeat Request)機制結合的前景是非?？春玫?。

    4.3多用戶分集

    在多用戶通信中，一種叫作機會機制的通信方式得到了人們的重視。其基本思想是通過把信道分配給那些最有可能完成連續傳輸的用戶來復用。這樣可以使系統的吞吐量最大化。對于反射空間信道，機會波束成形方法會指向具有最高SNR的用戶；另一方面，在充分散射情況下，機會機制會把信道分配給那些具有最高瞬時容量的用戶。

    機會機制可以產生多用戶分集，多用戶分集可以是碼分集、時間分集、頻率分集或者空間分集的補充。但是這樣也會帶來新的問題，即影響MAC協議的設計，MAC將放棄沖突檢測機制而轉向多用戶機制。

    4.4實際的性能評估

    在未來無線系統中，采用智能天線主要依靠下面兩種研究的結果：

    (1)在未來系統的設計階段就要考慮到智能天線的特性，保證兼容性；

    (2)根據與未來系統相關的要害參數來評估智能天線的實際性能。

    最新發展趨勢比較偏向前者，后者的研究結果要基于具有準確建模的仿真方法，因此若要實現還有一定的難度。

    4.4.1仿真方法

    鏈路級仿真可以提供智能天線收發機在各種傳播、干擾、調制編碼情況下單通信鏈路的誤幀率(FER，FrameErrorRate)性能評估，但是無法考慮多用戶多小區的影響，此時高層的參數將作為要害角色。另一方面，系統級仿真利用某種業務圖樣通過容量、吞吐量、SNR分布來提供整個系統的性能。為了對鏈路級和系統級的仿真進行折衷優化，需要在兩者之間有個接口，選擇的接口參數一定要惟一地描述鏈路級和系統級的性能。

    4.4.2建模

    智能天線的效率取決于通信環境的特征，比如傳播特性、天線陣列配置、業務模式、干擾情況、信號帶寬的有效性。因此，建立一個可行的MIMO信道模型來描述通信環境的特征是非常重要的。

    干擾模型通常被用于分析智能天線收發機的性能。最近的研究表明，干擾模型應當基于系統級的仿真結果來建立，其中，必須考慮智能天線技術對小區內、小區間的影響，還必須考慮到業務的非一致性和混合的業務環境。

    最后，實現損耗模型的建立，該模型包括信道估計差錯、反饋量化誤差、時延、互耦合等要害參數，該模型有利于系統的進一步改進。

    5、小結

    本文給出了智能天線收發機的結構，討論了智能天線的優點和未來智能天線的發展趨勢，如可重配置性、層間優化和多用戶分集技術等。另外也闡述了設計中會碰到的問題，比如準確的建模、恰當的仿真方法等?？傊侠淼厥褂弥悄芴炀€技術將大大地提高未來無線通信系統的性能。