智能天线与MIMO

蒋新聪，曾银生，陈铁民，唐寿兵

(中国移动集团湖南公司永州分公司，湖南永州425000)

智能天线技术是一种多天线技术，MIMO也是一种多天线技术，随着移动通信技术的迅猛发展，数据传输量的要求急剧增加，尤其是在下行链路，这种要求更加迫切，这两种技术在现在及未来都是移动通信研究的热点，而且这两种技术有着千丝万缕的联系，对于目前使用了智能天线的移动通信系统，为了技术发展的延续性及设备升级的兼容性，自然容易想到实现智能天线和MIMO技术的融合。本文将简要阐述智能天线技术与MIMO技术的区别与联系，并就在智能天线系统中使用MIMO技术的可能性进行仿真分析，以吞吐量作为研究指标，为二者的融合提供一定的量的参考。

1 智能天线与MIMO概述

智能天线通常被定义为一种安装于移动无线接入系统基站侧的天线阵列，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元，可以获取基站和移动台之间各个链路的方向和信道特性。其原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival)，副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消除或抑制干扰信号的目的。在实际应用中，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，在接收端通过波束赋形使得接收到总信号中，期望用户信号的功率尽量最大化，同时削弱干扰用户信号的功率;在发送端智能天线能使发往期望用户的总信号中，来自其他干扰用户的功率尽量地低，无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。

MIMO系统是指在发射端和接收端同时使用多个天线的通信系统，其有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，MIMO系统主要通过两个方面提高系统性能，即空间复用增益和空间分集增益。在基于空间复用的MIMO系统中，多径衰落提高了通信系统可以利用的自由度。若各个收发天线对之间路径增益衰落是独立的，这种情况下就构建了多个并行的空间子信道，在这些子信道间发射不同的信息流，数据传输率自然就会提高;基于空间分集的MIMO系统的基本思想是给接收机提供信息符号的多个独立衰落副本，使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率变小。在任意接近于信道遍历容量的数据传输率进行可靠通信要求时，在时间上对许多信道的独立实现多统计平均，这主要是用来对抗信道的衰落的随机性。

2 智能天线与MIMO的区别与融合

下面主要从阵元个数、阵元之间的距离以及二者的本质原理三个方面论述MIMO技术与智能天线技术的区别。

首先从阵列阵元的数量来看，MIMO系统无论是发送端还是接收端都是多天线的，而目前的无线通信系统中智能天线系统只有基站一端为多天线，手机端为单天线(不排除将来手机端使用多天线的可能性)，因此目前的智能天线系统实际上是一个单输入多输出(SIMO)或者多输入单输出(MISO)系统，可以说智能天线系统是MIMO系统的一个特例，从而智能天线技术可以看成是MIMO技术的一种特殊情况。

其次从对阵列阵元间距的要求来看，当MIMO系统用于空间复用时，由于要求收发天线对之间路径增益衰落是独立的，用以构建多个并行的空间子信道，从而在这些子信道间发射不同的信息流，因而无论是发送端还是接收端阵元的距离理论上都应该尽量大，使得不同天线阵元接收到的信号相互独立或者不相关。当MIMO系统用于空间分集时，以空时编码为例，由于空间分集的基本思想是给接收机提供信息符号的多个独立衰落副本，使得所有信号成分同时经历深度衰落的概率变小。因此，阵元间距也应该是尽量大(一般要求大于信号载波的半个波长)。而对于智能天线系统则不然，上行链路的智能天线阵列可以看成是一个FIR滤波器，即空间滤波器，一些用于时域FIR滤波器的定理或许可以类似地用到空域的等距智能天线阵列上。在时域或频域中，奈奎斯特定理可陈述为［1］:对于一个频域带限的连续信号，若其频域的最大频率为f，则该信号可以由对该连续信号以大于等于2f的速率采样得到的数字信号唯一确定。如果采用速率小于2f，就将发生混叠。类似地，对于智能天线可以得到:为了避免空间混叠，智能天线波束赋形器的阵列阵元间距必须满足［2］［3］:

这就是著名的奈奎斯特空间采样定理。因而为了避免波束赋形后产生空间混叠，智能天线阵元间的距离必须小于等于信号载波的半个波长，然而阵元的间距也不能任意地小，太小会在方向图上形成不必要的副瓣，同时阵元间会产生调谐干扰，因此为了同时避免空间混叠以及防止阵元间的耦合效应而产生干扰，在实际应用中智能天线阵元间距一般等于信号载波的半个波长，因此MIMO系统与智能天线技术对于阵元间距的要求是不同的。

对于目前使用了智能天线的移动通信系统，为了技术发展的延续性及设备升级的兼容性，自然容易想到在智能天线系统中使用MIMO技术，即保证天线阵元间距为半个波长(智能天线的要求)的条件下，使用MIMO技术，下面将就TD－LTE系统中天线阵元间距对于系统吞吐量的影响进行仿真分析。

仿真条件为:基于TD－LTE系统，发送端和接收端的阵元数皆为2，信道带宽为5MHz，TDD模式下每个下行资源格包含的资源块数为25，每个下行资源块包含的子载波数为12，FFT的点数为FFT_length=512，循环前缀cp_length=56;发送端编码方式为turbo编码。发端采用QPSK信号作为信号源;发送端阵元间距分别为四个波长和半个波长;各发射天线上的功率相等;接收端采用理想的信道估计值;并且信号到达接收端时已达到了精准的同步;信道环境按照3GPP TR 25．996 V6．1．0中的多径衰落传播环境给出的参数进行设置。

从图1中容易看出，在case3的信道条件下，就吞吐量而言，阵元间距为四个波长时的性能都比阵元间距为半个波长时的性能要好，约有0．5 dB的优势，这是因为四个波长时天线阵元间的信号的相关性相对于半个波长时要低，根据MIMO技术的原理，阵元相关性越低，系统性能越好，因而仿真与理论分析是相符合的。在实际系统中，要根据具体情况看这0．5 dB的性能差异是否可接受，如果能接受，则可以在目前的智能天线系统中，在硬件上不需要做任何改变的情况下直接使用MIMO技术，否则，需要加大天线阵元的间距才能使用MIMO技术。

图1 case3且移动台运动速度为120 km/h

如图2在case4的信道环境时，二者性能却相近，这是因为case4的信道环境为平坦衰落信道，只有一条多径，此时，散射环境很弱，无论是四个波长的阵元间距还是半个波长的阵元间距，阵元相关性仍然很高，所以二者的吞吐量几乎一样。

图2 case4且移动台运动速度为3 km/h

再次，从二者的本质原理方面来看，智能天线技术通过反馈控制方式连续调整天线的方向图，它充分利用了阵元间的相关性实现天线方向图主波束对准期望用户信号，而副瓣或者零陷对准干扰用户信号，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。而MIMO系统一般要求发端和收端阵元相关性尽量低，以提高系统复用或者分集的性能，从这一点而言二者也是相矛盾的。

以上所论述的三点即为MIMO系统与智能天线系统的主要区别，当然MIMO与智能天线的各种矛盾也可以在一定的条件下统一，下面将论述二者的结合点。

近来出现了许多将智能天线和MIMO相结合的技术，如图3所示就是一个将智能天线和BLAST相结合的方案，在图中将发送端的M*N根天线阵列分成M组，每组N根阵列，对于同一组内的N根阵列采用智能天线波束赋形技术，即同一组内的阵列发生的数据信息是相同的，只是不同用户间的加权系数不同。M组不同阵列发送的数据是不同的，即使用的是BLAST技术，是一种空间复用技术。这样理论上实现了智能天线的发射分集和MIMO的空间复用的集合，既能保证较好的误码率性能又能保证较高的数据发送速率。

图3 智能天线波束赋形与BLAST的结合方案

近来出现了一种下行特征波束赋形技术，特征波束赋形MIMO系统的模型为r=Hs+n，将信道矩阵H进行奇异值分解，如果发射端已知信道信息，通过发射端的特征波束成形和接收端的线性处理，可将MIMO信道分成平行的子信道。这种波束赋形技术研究价值有限，因为它只适合于平坦衰落信道，对于非平坦衰落信道显然这种方法就失效了，而在实际中信道环境多为非平坦衰落的信道。

3 结论

智能天线与MIMO技术是近十年来无线通信领域的研究热点，将成为未来无线宽带移动通信系统和无线宽带接人系统的关键技术。作为无线通信领域近年来发展起来的新技术，MIMO技术在通信理论上还远没有完善，信息论容量已经揭示MIMO系统能获得巨大的容量增益，但如何接近或达到信道容量取决于发射接收机的信号处理算法。本文论述了智能天线技术与MIMO技术的区别与联系，并就在智能天线系统中使用MIMO技术的可能性进行分析，为二者融合的可能性提供一定的参考，智能天线技术与MIMO技术还在继续发展，同时，人们对高质量的无线通信系统的需求不断催生新的应用，智能天线与MIMO在通信系统中的实际应用将不断促进这两种技术的进一步发展。

［1］Z.Rong，Simulation of Adaptive Array Algorithms for CDMA Systems［M］.M.S.Thesis，Virginia Tech，Sept 1996.

［2］J.G.Proakis，Digital Communications［M］.New York，NY:McGraw-Hill Inc.，third ed.，1995.

［3］T.E.Biedka，A General Framework for the Analysis and Development of Blind Adaptive Algorithms［M］.Ph.D.dissertation，Virginia Tech，Oct 2001.