4G中的MIMO智能天线技术

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在移动通信系统中，多径及多径时延扩展是移动通信中存在的主要问题。多径传播将导致信号严重衰落，时延扩展导致符号间干扰，这将会严重地影响通信链路的质量。同时，共信道干扰是移动通信系统容量的主要限制因素，它将影响用户对有效网络资源（频率、时间）的复用。智能天线通过利用多径可改善链路的质量，通过减小相互干扰来增加系统容量，并且允许不同的天线发射不同的数据。总之，智能天线的优点可以归纳如下：

1）增加覆盖范围 在接收端天线阵列对信号进行相干接收，可产生阵列或波束成形增益，该增益与接收天线的数目成正比。

（2）降低功率/减小成本智能天线对特定用户的传输进行优化，可以降低发射功率，从而降低放大器的成本。

（3）改善链路质量/增加可靠性分集的形式包括时间分集、频率分集、码分集和空间分集等。当用智能天线对空间域进行抽样时就会产生空间分集。在非频率选择性衰落的MIMO信道中，最大的空间分集阶数等于发射天线数目和接收天线数目的乘积。多个发射天线通过采用特殊的调制和编码机制就可以产生发射分集，而多个接收天线的接收分集取决于对独立衰落信号的合并。

（4）增加频谱效率 通过不同方法精确地控制发射功率会减小同道干扰，从而增加使用同样资源的用户数目。通过波束成形实现空分多址（SDMA）可以实现资源的复用，从而增加数据速率和频谱效率。该增益也被称为空间复用增益。MIMO系统中利用多个独立的空间维数来同时传送数据，在不相关瑞利衰落MIMO信道中，其信道容量与收发天线数目的最小值成正比。

通常设计智能天线主要集中在上面提到的某一种增益，如波束成形、分集增益、复用增益。最近这些增益之间的相互折衷已经成为研究的焦点。 四、未来移动通信系统中的智能天线技术

未来移动通信系统需要可以适用于各种通信环境的信号处理技术，因此，未来智能天线设计的初始阶段必须认真地考虑在性能和复杂度之间折衷地优化。

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1.物理层的可重配置性

为了使移动通信通信收发机可以工作在多参数连续改变的环境中，需要在收发机中采用可重新配置的自适应技术来调节结构，从而获得最好的性能。智能天线收发机中的可重配置性可以看作是在各种不同环境中收发机结构的智能切换。例如，文献[8][9]提出了在MIMO信道中用于空间分集和复用相互折衷的算法。 2.不同层之间的优化

OSI（Open System Interconnection，开放系统互连）模型定义的高层之间的相互作用可以提高整个系统的性能。通过结合物理层、链路层、网络层的参数设计智能天线，即考虑到各层之间相互关系来设计，而不是单独考虑某一层。实践表明，单独考虑一层的设计方法性能评估是低效的。例如，当引入调度后，通过空时编码所得到的增益将会减小，甚至会消失。

OSI不同层之间交换的信息可以归类如下：（1）CSI：需要估计出信道脉冲响应、定位信息、车载速度、信号强度、干扰强度、干扰模型等。（2）QoS相关的参数：包括时延、吞吐量、误比特率、分组差错率（PER，Packet Error Rate）等。（3）物理层资源：包括空间处理机制、天线阵列的数目、电池电量的损耗等。

考虑层之间的优化准则是非常重要的。在实际系统中，智能天线的链路质量不仅取决于采用的数据检测方法，而且还取决于特定的编码机制以及在链路层采用的媒体接入控制（MAC，Medium Access Control）功能，还取决于高层采用的协议栈性能。因此，在设计时应该综合考虑上述因素，而不是单独考虑某一个因素。对于时延不敏感业务，将智能天线技术如V-BLAST同混合自动请求重复（H-ARQ，Hybrid Automatic Repeat Request）机制结合。

3.多用户分集

在多用户通信中，一种叫做机会机制的通信方式得到了人们的重视。其基本思想是通过把信道分配给那些最有可能完成连续传输的用户来复用。这样可以使系统的吞吐量最大化。对于反射空间信道，机会波束成形方法会指向具有最高SNR的用户；另一方面，在充分散不得用于商业用途

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射情况下，机会机制会把信道分配给那些具有最高瞬时容量的用户。机会机制可以产生多用户分集，多用户分集可以是码分集、时间分集、频率分集或者空间分集的补充。但是影响MAC协议的设计，MAC将放弃冲突检测机制而转向多用户机制。 4.实际的性能评估

在未来移动通信系统中，采用智能天线主要依赖两种研究的结果：

（1）在未来系统的设计阶段就要考虑到智能天线和移动通信环境的特性，如传播特性、天线阵列配置、业务模式、干扰情况、信号带宽的有效性，从而保证兼容性；

（2）根据与未来系统相关的关键参数，通过链路级仿真和系统级仿真的优化折衷来评估智能天线的实际性能。 五、小结

在基于CDMA技术的3G中使用多天线技术能够有效降低多址干扰，空时处理能够极大增加CDMA系统容量。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。本文采用智能天线与MIMO系统结合，给出了多输入多输出智能天线收发机空时信号处理方案，讨论了智能天线的优点和未来智能天线的发展趋势同时也阐述了设计中会遇到的问题。总之，合理地使用智能天线技术将大大地提高未来移动通信系统的性能。

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