论移动通信系统中关键技术智能天线与MIMO

王刚

摘 要 智能天线与MIMO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，MIMO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非常关键的问题。本文在介绍智能天线与MIMO技术的基础上，最后提出了相应的融合机制。

关键词 智能天线 MIMO 融合机制

1 引言

随着全球移动通信的不断发展，移动用户的日益增多，现一代移动通信网络资源已经变的非常有限。如何的利用有限的带宽资源，已经成为现在已经成为了移动通信领域中一个热门话题。智能天线可以满足服务质量和扩充容量的需要。移动通信中另一个难于解决的问题的如何克服多径干扰。在传统的SISO系统中多径干扰始终存在并到现在为止没有找出很好的克服方法。于是MIMO 的研究成为现在通信领域的热点。如果智能天线与 MIMO 技术结合使用，更加会开发空域在移动通信中的巨大潜力。必定能很好的解决系统容量扩充问题与抗多径干扰问题，改善通信质量增大系统容量。

智能天线技术可以提高接收信号的信干比和小区的用户容量，自提出以来就深受业内关注，已经被TD-SCDMA标准采用，国际电联也明确将它作为第三代及以后移动通信技术发展的主要方向。MIMO技术可以提高系统的信道容量提高信息传输速率，因此该技术已成为4G的关键技术之一。MIMO和智能天线都是4G的关键技术，如果我们可以将二者有机地结合起来，就可以大大提高4G系统的性能，使得通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输，因此如何把MIMO和智能天线技术结合起来加以应用非常值得探讨。

2 智能天线和MIMO技术分析

MIMO和智能天线都属于多天线系统中的技术，这两种技术既有共性又有显著区别，凭借在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线共同成为了下一代移动通信系统发展中炙手可热的新技术。

2.1 智能天线技术

智能天线技术可用于多天线系统中，但它与以往天线分集有着很大的区别。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，即用于MISO系统和SIMO系统。一个典型阵列天线接收系统如图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。由于智能天线能显著提高系统的性能和容量，抑制干扰信号并增加了天线系统的灵活性，未来几乎所有先进的移动通信系统都将采用该技术。

2.2 MIMO技术

多输入多输出（MIMO）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。MIMO系统是指发射端与接收端都有多个天线的通信系统，如图2所示MIMO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MIMO系统强调的是信号的编解码处理。MIMO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。

MIMO无线通信技术的概念是在任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线或者天线阵列，就构成了一个无线MIMO系统。MIMO无线通信技术采用空时处理技术进行信号处理，在多径环境下，无线MIMO系统可以极大地提高频谱利用率，增加系统的数据传输速率。MIMO技术充分开发空间资源，利用多个天线实现多发多收，在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下，可以成倍地提高信道容量。

2.3 MIMO和智能天线技术的比较

MIMO和智能天线技术都用于多天线系统，但是两者又有本质的区别。

从原理上看，智能天线利用到达天线阵的信号之间完全相关性形成天线方向图，它关键能实现信号的定向发送和接收；而在MIMO中天线收发信号是全方位的，并且到达天线阵的信号必须相互独立，用多个天线接收信号来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。

从天线结构上看，两种技术都可以使用多天线，智能天线通过反馈控制方式连续调整天线的方向图，天线阵元间距一般取1/2波长，因为阵元间距过大会减小接收信号彼此的相关程度，太小则会在方向图上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系统中，天线单元之间的间隔必须为多个波长一般为10～15波长，以确保到达天线阵各个单元的信号是互不相关的。

从多天线系统来看，传统的智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，即用于MISO系统和SIMO系统，而MIMO只应用在MIMO系统中。

3 MIMO和智能天线技术的融合

MIMO技术实质上为系统提供空间复用增益和空间分集增益。MIMO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MIMO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Nt根天线，收端Nr根天线，当发射天线间距大于等于10λ，接收天线间距大于等于λ/2，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从NtxNr条独立同分布的传播路径。

如果将智能天线与MIMO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λ/2，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10λ-20λ是必须要满足的条件。因此，我们在分析性能时，存在将等效MIMO的平均间距设为10λ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。

MIMO和智能天线技术结合的关键是如何能在同一个系统中同时采用两种技术。下面我们设计一个系统，同时能支持这两种技术。本文给出了一种方案，使这两种技术求同存异，在一个系统中共存。

上文比较这两种技术的异同点可以看出，MIMO和智能天线技术共存的主要障碍是天线结构：智能天线要求天线间距取1/2λ，并且用于SIMO和MISO系统；而MIMO要求天线间距为数个波长，并且只用于MIMO系统。本文给出的方案很好地解决了这个问题，整个系统的结构如图2所示。

图3所示的拉远分组天线阵列中所有天线阵元均为垂直极化，但分成两组，每组天线阵列内各有4个天线阵元，每组天线阵列内的天线阵元间距保持传统智能天线采用的半波长间距λ/2，这样每组天线阵列内的天线阵元间具有很强的相关性。但两组天线阵列通过空间距离来换取MIMO应用所依赖的不相关性或弱相关性，即将两组天线拉远至4λ—l0λ。

图4所示的双极化分组天线阵列中，每组天线阵列内的天线阵元间距保持传统智能天线采用的半波长问距λ/2，但组问采用不同极化方式，如图2（b）所示一组天线阵列内阵元均采用+45。极化，而另一组天线阵列内阵元均采用-45。极化，这样每组天线阵列内的天线阵元间具有很强的相关性。但两组天线阵列通过不同的极化方式来换取MIMO应用所依赖的不相关性或弱相关性。这样的天线阵列的尺寸仅为不到原天线阵列的一半，在尺寸方面有着较好的优势。

显然，上述天线结构均基于天线分组的思想，只是天线分组间的不相关性或弱相关性的获得方式不一样，但这也导致了这两种天线具有不同的物理结构和各自的优缺点。拉远分组阵列较极化分组天线阵列而言，没有正交极化天线理论上存在的极化损失，但正交极化天线分组可以具有更小的尺寸，更有利于工程实施。

结束语：如今智能天线和MIMO在各自领域都有着广泛的应用并且分别发着挥极其重要的作用，它们的应用都为解决无线通信中存在的各种难题做出了巨大的贡献。但是，如何将MIMO 与智能天线结合，充分发挥他们各自优势，仍然是无线通信领域研究的热点。将MIMO 与智能天线结合，必然能大大改进无线通信质量，增加系统容量，为我们日益繁忙的高速信息生活提供更高质量的服务。

参 考 文 献

[1] 周夕良.第四代移动通信的发展和挑战[J].信息与电子工程，2006 4 （2）.

[2] 刘鸣. 智能天线技术与应用. 机械工业出版，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，黄绣江 MIMO无线技术的研究现状移动通信2006.5pp.85～88

[5] 林辉 智能天线技术的发展与应用电信网技术2006.10