宽带多天线无线传输技术发展展望

2016-12-28金红军

通信技术 2016年12期

关键词：赋形波束载波

金红军

（中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200063）

宽带多天线无线传输技术发展展望

金红军

（中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200063）

目前，战术通信系统带宽窄、速率低、机动性差，同时多径传播引起选择性衰落，产生严重干扰，导致系统性能下降，已经不能满足日益增长的高速数据业务需求。针对这些问题，提出多天线多载波（MIMO+OFDM）技术体制，介绍其发展现状、基本原理、关键技术以及主要优势、特点和存在问题，提出更高带宽、更高速率、更高移动性和更高频段，将成为未来发展趋势和重点应用研究方向，这也将极大推动战术通信跨越式发展。

战术通信；多天线；MIMO+OFDM技术；预编码；波束赋形

0 引言

现代作战模式的全面变化，推动了军事作战理论的根本转变。而这种转变使得对高带宽信息，特别是态势感知信息、ISR信息（情报、监视与侦察信息）以及图像、视频信息的需求发生了指数性的增长。目前的窄带战术通信系统已经不支持或不满足这种新的需求，限制了作战应用和作战效果，也很难满足要求更高的网络性和机动性。因此，这就对未来的战术通信提出了新的更高要求[1-2]。

未来的数字化战场，作战方式已从以前常规的前沿预设部署进入兵力随机投送阶段，从以武器平台为主进入以网络中心为主[3]。这一新的变化要求将移动性、灵活性、模块化、高速化、宽带化和网络化紧密结合在一起，对快速反应、快速接入能力更加渴望，须寻求新的突破。近十年来，宽带无线传输技术可谓高速发展、日益成熟。IEEE 802.11无线局域网（WLAN）、IEEE 802.16无线城域网（WMAN）、IEEE 802.20无线广域网（WWAN）等标准，以及LTE长期演进计划，都是典型代表，已经成为移动通信各领域的引领者。这些标准的核心技术均采用正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）相结合的技术体制，可以提供100 Mb/s以上的峰值速率，已成为世界各国的研究热点。从美军战术级指战员信息网络WIN-T、联合无线电系统JTRS的发展历程来看，高容量和高移动性十分重要。而宽带多天线技术扮演了重要角色，是构建鲁棒可靠的战术通信移动骨干网络的理想方案。

1 发展现状

1.1 需求与背景

移动无线通信的一个核心问题是传播信道复杂的时变特性，使其存在传播损耗、慢衰落和快衰落现象，即严重存在频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。这些都是由于多径传播引起的，产生较大的符号间干扰和多址干扰等，对于目前单载波技术体制影响较大，解决困难。尤其对于目前的高速数据业务来说，单载波通信系统存在较大的缺陷。这主要是由于无线信道存在时延扩展，高速信息流码元周期又很窄，导致接收的信号产生相互重叠，符号间存在比较严重的码间干扰（ISI），从而对均衡器提出更高的要求，复杂度和实现难度也随着带宽的增大而急剧增加，难以支持20 MHz以上带宽。因此，人们开始关注OFDM技术，希望通过这种方法来提供更高速更快捷的无线业务。OFDM技术是由多载波调制（MCM）发展而来的，通过串/并变换，降低传输速率，增大码元周期，减少时延扩散，以减弱多径干扰。同时，随着大规模集成电路技术、DSP技术和射频器件技术的高速发展和成熟应用，OFDM技术得到了快速发展，成为宽带移动无线传输技术的核心技术和研究热点。

1.2 体系标准与演进

根据国际电信联盟ITU IMT-Advanced的技术要求，IEEE、3GPP、3GPP2等标准化组织先后提出了一系列宽带无线传输技术标准[4-5]，如图1所示。

按照传输距离可分为：基于IEEE802.15的无线个域网（WPAN）、基于IEEE802.11的无线局域网（WLAN）、基于IEEE 802.16的无线城域网（WMAN）和基于IEEE 802.20的无线广域网（WWAN）等四类标准，以及3GPP制定的LTE长期演进计划。但是，由于各种原因，3GPP2放弃了超宽带UWB标准。通过市场竞争与技术发展，LTE长期演进计划和IEEE802.16 （WiMAX）成为ITU的主流标准。其中，WLAN标准（WiFi）也是IEEE推出的比较成功的杰作，大量用于社会各个领域。与蜂窝移动系统相比，它的主要问题是对移动性的有限支持。然而，IEEE的标准化也在朝增加移动性这个方向发展。而3GPP的LTE长期演进计划对用户移动性（如无缝切换、漫游）特别重视，首先将其纳入标准中，发挥了主导作用。总体上，这些宽带接入技术各自具有独特的优势和特点应用于不同的场景和范围，与公众移动通信系统形成了优势互补、相互促进、融合发展的良好态势。

图1 宽带无线传输技术体系标准

1.3 主要指标对比

对目前LTE长期演进计划和IEEE 802.16系列两个主流宽带标准主要指标进行对比，结果如表1所示。可以看出，两个标准系列采用的核心技术一致，均为MIMO+OFDM技术体制，信道带宽最大20 MHz或100 MHz，而两者的结合可以有效提高频谱效率、吞吐量和抗多径衰落的能力。

表1 LTE与802.16系列主要指标对比

2 MIMO+OFDM技术体制

2.1 MIMO+OFDM信息处理基本框架

MIMO+OFDM信息处理的基本框架如图2所示。OFDMA技术以其抗多径衰落、灵活的频谱资源分配、子载波内信道平坦的特性，成为宽带无线传输最具竞争力的多址接入方案。MIMO技术则以利用多径信道、不占用额外频率资源、频谱效率成倍提高的优势，成为宽带无线传输最具竞争力的多天线选择方案。MIMO+OFDM技术解决了当今任何无线电技术都面临的两大难题，即速率和覆盖问题。它利用随机衰落和可能存在的多径传播，成倍提高了业务传输速率和扩大覆盖范围。

图2 MIMO+OFDM信息处理基本框架

2.2 多址接入技术选择

多址接入技术是指多个用户同时使用空中接口的物理资源的方法，是区分多个用户、避免用户间通信干扰的一种方法。多址技术的关键是设计具有正交性的函数集合，使各信号相互无关。一般多址接入有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）四种方式。其中，TDMA接入是在给定的传输频段把发送时间划分为若干个时间时隙，各用户在指定的时隙内依次发送，互不干扰，实现多址接入；FDMA接入是把给定的传输频段划分为若干个较窄的且互不重叠的子频段，以各子频段不同的载波频率区分用户，实现多址接入；CDMA接入是一种利用扩频信号不同的地址码序列来实现不同用户的划分，实现多址接入，其各用户传输频段、载波频率相同，发射时间任意；OFDMA接入来源于OFDM，是一种利用多载波、多信道、正交性来实现不同用户的划分，通过为不同用户分配不同子载波，共享一个OFDM符号，实现多址接入。目前，OFDMA技术以其抗多径衰落、灵活的频谱资源分配、子载波内信道平坦等特性，成为最具竞争力的多址接入技术。

2.3 多天线技术选择

多天线技术即多输入多输出（MIMO）技术，是指由多根天线阵元组成的天线阵列，采用多个发送/接收天线及信号处理技术，以有效提高系统容量、传输速率和覆盖范围，是无线移动通信的关键技术和重大突破。MIMO技术包括单发单收（SISO）、多发单收（MISO）、单发多收（SIMO）和多发多收（MIMO）四种工作方式。它主要利用空间分集、空间复用和波束赋形三种技术。MIMO信息处理包括MIMO编码模块和预编码/波束赋形模块，核心是空时编码和波束赋形算法。空间分集可以提高信道传输的可靠性，降低信道误码率；空间复用可以大大提高信道容量；波束赋形则可以提高接收信号的信噪比，提高抗干扰能力。对于单用户，在每个资源单元（RU）上只有一个用户被调度；对于多用户，多个用户可在一个资源单元（RU）上传送，每个用户使用不同的调制编码方式。

3 预编码/波束赋形关键技术

预编码/波束赋形技术是MIMO的核心技术[6-7]，两者在功能上有很大的相似性，都可看成是对信号进行幅度和相位的调整。但是，两者在本质上又有很大的不同。预编码要求大间距的天线阵列，预编码矩阵更关注分集增益，需要根据瞬时的信道变化进行调整和适配，以尽可能获得空间信道的正交性。物理下行共享信道的主要传输模式都是通过预编码实现的，可以根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配。波束赋形则要求小间距的天线阵列，利用空间信道的强相关性及波的干涉原理，产生强方向的辐射方向图，将辐射方向图自适应地指向用户的来波方向，以提高接收端的信噪比，提高系统容量或覆盖范围。它的权值只需匹配来波方向和路径损耗的信道慢变化。

3.1 预编码技术

预编码是根据信道并行传输流数量，将有限的发射功率分配给能够有效传输的数据流，从而避免发射功率的浪费，将数据流进行处理并映射到物理天线上。根据MIMO模式的不同，具体的映射方式也不同。根据空间信道状态，在发射端自适应地改变预编码矩阵，调整发射信号，将发射功率集中到信道的特征方向，以获得更高的性能增益。根据预编码矩阵特征不同，预编码分为线性预编码和非线性预编码两种。由于非线性预编码非线性复杂度高、译码算法复杂，一般选择线性预编码。根据预编码矩阵获取方式的不同，预编码分为基于码本和基于非码本的两类操作方式。第一类，基于码本的预编码。预编码矩阵只能从码本中选取，码本的内容发送/接收两端都是已知的，不需要对发送/接收两端对称性进行校准，对上行传输能力也没有要求。预编码矩阵在接收端得到，通过预编码矩阵序号（PMI）反馈发送端，适用于频分双工。第二类，基于非码本的预编码。它利用信道的互易性，根据上行信道信息获取下行信道信息，进行矩阵分解，生成预编码矩阵。因此，不对预编码矩阵限制，可以是任何符合设计规则与应用条件限制的矩阵。预编码矩阵在发射端得到，通过预测的信道状态信息（CSI）进行预编码矩阵计算，适用于时分双工。典型的预编码设计准则有最小奇异值准则（MSV）、均方误差准则（MSE）、最大容量准则（MC）和最大似然准则（ML）等。

3.2 波束赋形技术

波束赋形是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，形成对基带信号的最佳组合或分配，降低同信道用户间的干扰。

根据信道信息获取方式，波束赋形可分为基于波束赋形的码本反馈方式和基于波束赋形的非码本反馈方式两种方式。其中，码本反馈方式是一种相对简单的固定波束赋形技术。它利用反馈信息对发射信号进行加权，使用的码本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的导频来区分用户。由于受反馈时延的影响，它适用于低速场景。非码本反馈方式是一种自适应波束赋形技术，利用上行信道信息对发射信号进行加权，不需要反馈信道提供信息，每个天线阵元的权值可以通过上行信道自行估计得到，处理时延较大，适用于低速场景。

根据所需先验知识，波束赋形又可分为基于波达方向（DoA）的波束赋形、基于参考信号的波束赋形和盲波束赋形三种类型。第一类，基于波达方向（DoA）的波束赋形，是一种通过估计信号的到达角（DoA），利用DoA信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。典型的波束赋形算法有GOB算法（Grids of Beams）、EBB算法（Eigen Based Beamforming）、多重信号分类（MUSIC）算法和基于旋转不变技术的信号参数估计方法（ESPRIT）算法等。GOB算法是基于空间参数模型的算法，通过划分空间区域，计算接收信号功率，找到最大功率对应的区域，确定赋形角度，实现下行信道指向性发射，一般用于固定用户。EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，通过对空间相关矩阵进行特征值的分解得到权矢量。当用户在小区中移动时，它通过测量确定用户信号到达方向（DoA），选取预先设定的波束赋形系数进行加权，改变信道的特性，形成特定的波束，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的接收信噪比。而MUSIC算法和ESPRIT算法是利用空间协方差矩阵的特征向量来构造信号子空间与噪声子空间。由于它们相互正交或信号矢量经旋转后空间参数不变，从而利用这两个互补空间之间的正交特性来估计空间信号的方位。空间谱中的峰值位置对应信号的来波方位，大大提高了测向分辨率，同时适应于任意形状的天线阵列，但这两种方法都建立在不相干信号模型基础上。以上这些算法在实际工程中都得到了广泛应用。第二类，基于参考信号的波束赋形，不需知道到达方向（DoA）、阵列流形等先验知识，利用参考信号达到信道期望信号的估计，但实际上参考信号是不容易获取的，因此实际应用中存在很大局限性。第三类，盲波束赋形，也不需要知道到达方向（DoA）、阵列流形、训练序列、导频信号和信号自相关矩阵等先验知识，利用信道潜在的结构特征或者输入信号的特征达到信道期望信号的估计。这种方法复杂度高、收敛速度慢，适用于慢衰落的信道。典型的有恒模算法（CMA）、频谱自相关算法（SCORE）和循环波束赋形算法（CAB）等。

4 主要优势与问题

4.1 主要优势与特色

4.1.1 高抗干扰性

由于采用多天线MIMO技术具有空间分集、空间复用和发射分集的作用，因此通过空间分集技术抵消多径衰落，提高信道的可靠性，降低信道误码率；通过空间复用技术大大提高信道容量，提高信道的可靠传输；通过发射分集技术提高信道的可信传输。它的核心技术是采用空时编码技术、波束赋形技术等对抗信道多径衰落，实现可靠传输。这也是MIMO+OFDM能够取代CDMA成为宽带移动无线传输解决抗干扰方案的最重要原因。另外，通过引入保护间隔和循环前缀，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度得消除多径带来的符号间干扰（ISI）以及信道间干扰（ICI）。

4.1.2 高频谱效率

从表1可以看出，在MIMO 2*2条件下，频谱效率可达到5 bit/s/Hz；在MIMO 4*4条件下，频谱效率可达到16 bit/s/Hz，远远高于单载波频谱效率。这主要得益于采用了OFDM技术和快速傅里叶变换（FFT）技术。FFT技术使各子载波间可部分重叠，理论上可以接近奈奎斯特极限且保持相互正交，接收时通过相关解调技术分离出来，频谱效率提高近一倍。因此，OFDM技术可以实现各用户间的正交性，有效避免用户间干扰，获得高的频谱效率；而MIMO技术能够在不增加额外功率或者带宽的前提下，通过提供空分复用增益增加系统容量，通过不同的发射天线，使系统容量呈线性增长。

4.1.3 高覆盖范围

采用多天线MIMO技术，接收信号是对所有天线阵元上的信号进行相干合并的叠加之和，可以获得天线阵列或波束赋形的额外高增益。它正比于接收天线的数目，大幅增加了接收端的信噪比，从而扩大了覆盖范围。另外，高宽带性也使其网络连通性更加易构与畅通，便于多级组网与中继，覆盖范围可以大幅延伸。

4.1.4 带宽扩展容易

从表1可以看出，信道带宽可以选择1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、100 MHz等。信号带宽取决于所用子载波的数量，即占用子载波数量少，信道带宽就窄；占用子载波数量越多，信道带宽就越宽。因此，系统具有良好的带宽扩展能力，并且很容易通过FFT技术实现。

4.1.5 资源分配容易

系统中频域资源最小粒度为一个子载波，子载波宽度的确定要兼顾系统效率和移动性，考虑信令开销和增益的折中，能够灵活选择适合的子载波进行传输，实现动态的频域资源分配，以充分利用频率分集、频率选择及多用户分集，获得更好的系统性能。

4.1.6 OFDM与MIMO结合容易

在平坦衰落信道中，多天线MIMO技术可以利用传播中的多径分量；而在频率选择性衰落信道中，其复杂度大大增加，性能有较大损失。在OFDM系统中，每个子载波信道可看作平坦衰落信道，引入多天线MIMO技术所带来的额外复杂度可以控制在较低水平，其复杂度则随天线数量呈线性增加；而在单载波MIMO系统中，其复杂度与天线数量和多径数量的乘积的幂成正比，复杂度高。所以，MIMO与OFDM在宽带系统中更容易结合，且能获得更高的频谱效率。

4.2 主要问题与缺陷

4.2.1 峰均比（PAPR）问题

MIMO+OFDM系统处理的是频域信号，信息需要通过若干个子载波发送。在任一时刻，时域信号为若干个子载波随机信号叠加之和，因此会导致峰均比（PAPR）很高。峰均比高对前端放大器的线性要求就高，会导致发射机功放成本和耗电量的增加。对于终端成本和耗电量受到限制的上行，也有较大影响。

4.2.2 频率偏移问题

移动系统中，用户终端移动或作相对运动时，会引起相对码相位的变化；电波传播中的多径效应也会引起相位、载波中心频率相位的变化。这些都会带来频率偏移，影响系统性能。在MIMO+OFDM系统中，子载波宽度比较窄，对符号定时和载波频率偏差比较敏感，容易导致子载波之间正交性变差。因此，要综合考虑子载波带宽问题。若子载波过宽，会降低频谱效率；若子载波过窄，会影响高速移动时的性能。

4.2.3 信道估计问题

信道估计对性能影响很大，在获得较高性能的同时应尽可能减小开销。当天线阵元较多时，波束宽度比较窄。在多径衰落、散射现象比较严重的环境下，在对来波方向DoA估计时会产生偏差，导致系统性能下降。因此，波束赋形增益将由于波束扩展角度变宽而减小。

4.2.4 天线校正问题

为了准确估算来波方向DoA，天线阵列系统需要在幅度和相位两方面都进行测量与校正。对于多天线来说，相位的一致性是一个很大的问题，增加了系统复杂性。

5 发展趋势与展望

5.1 向超宽带化方向发展

向超宽带化方向发展，信道带宽向100 MHz、500 MHz拓展。根据香农定理可知，信道容量与信道带宽成正比。信道带宽越宽，信道容量越大。合理的信道带宽，可以大幅提升空中传输速率。而多载波技术和宽带射频技术为实现超宽带化提供了技术支撑，是宽带无线传输技术发展的重要方向和标志。

5.2 向极高速化方向发展

向极高速化方向发展，传输速率向100 Mb/s、1 Gb/s、10 Gb/s进军。对于高速运动用户的目标数据速率可达100 Mb/s，对于低速运动用户的目标数据速率可达1 Gb/s，甚至10 Gb/s，从而最大限度地满足动态图像、视频、情报信息等大数据量实时传输及快速组网要求，而大规模MIMO技术和自适应多流技术为实现极高速化提供了技术可能。

5.3 向高移动性方向发展

向高移动性方向发展。研究地面、海面、中高空长航时，无人机、有人机等高速移动平台协同通信问题，突破高增益智能阵列天线技术、高效同步技术、动态快速组网技术、动态资源管理技术和自适应接入技术等关键技术，支持350 km/h以上高速移动物体的快速接入和可靠通信。

5.4 向更高频段方向发展

由于有限的频谱资源，目前10 GHz以下频段基本规划已分配完，没有多余频段可用，需向毫米波和太赫兹更高的频段延伸。这些频段的最大优势就是宽带宽，无需许可免费使用的带宽宽，可达近10 GHz甚至更高，可以实现极高速无线传输。因此，毫米波通信和太赫兹通信引起了人们的广泛关注和高度重视，毫米波频段在30～300 GHz范围内，毫米波移动通信一般选择在低端频段，数十吉赫兹范围内。由于其波长短、频带宽、体积小、速率超高和抗截获能力强等特点，可以在很小的面积上使用大规模MIMO阵列天线和波束赋形技术形成高增益的方向性窄波束，克服多径衰落和大的传播损耗，有效解决高速宽带无线接入面临的许多问题。传输速率可达到10 Gb/s以上，具有极大的应用前景，但也存在一些问题，主要表现为毫米波的传输衰减大、穿透能力差。在通信功率受限的情况下，通信有效覆盖范围影响较大。因此，要重点开展适应新要求下的大规模MIMO阵列天线、混合波束赋形和预编码搜素算法等关键技术研究。太赫兹频段在0.1～10 THz范围内。太赫兹通信一般选择在低端频段，数百吉赫兹范围内。由于其波长更短、频带更宽、体积更小、速率极高、抗截获能力更强和穿透能力强等特点，在宽带通信领域显示出巨大的应用潜力。与毫米波通信相比，太赫兹通信带宽优势更加显著，可达到100 Gb/s以上的极高传输速率，但存在大气衰减严重、发射功率低、瞄准相对困难等问题，主要用于近距离通信。这两种通信方式比目前宽带传输技术要快100倍甚至更高，是很好的宽带信息载体，特别适合构建宽带宽、高容量、大范围覆盖、中继与分发能力的陆基骨干网络、空中骨干网络或空中移动热点，延伸通信距离，增强吞吐能力，为联合作战提供支持。

6 结语

目前，MIMO+OFDM相结合的宽带技术体制已经商业化，技术十分成熟，但在战术通信领域应用还很少，不是很成熟，其高速化、宽带化和移动性符合未来战术通信的发展方向，能够有效对抗频率选择性衰落和载波间干扰，具有抗衰落和抗多径干扰的能力。通过适应性改进，覆盖范围会大幅增加，峰值速率比现役提高百倍以上，完全满足对于图像、视频等大数据实时传输要求。而其高速移动性、移动随遇接入能力更让其展现优良的战术性能，是解决战术通信移动骨干网络的最优方案。

参考文献

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Development of Broadband Multi-antenna Wireless Transmission Technology

JIN Hong-jun
(No.50 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanghai 200063, China)

At present, the tactical communication system, for its narrow bandwidth, low speed and poor mobility, including, selective fading caused by multipath propagation, and serious interference, which would result in the performance degradation, could not meet the growing demand for high speed data service. To solve these problems, the multi-antenna multi-carrier (MIMO+OFDM) technical system is proposed, its development status, basic principle and key technology decribed, and main advantages, characteristics and existing problems discussed, and the system with even higher bandwidth, higher speed, higher mobility and higher frequency would become the trend of development and the direction of key application research. And all these would greatly promote the great-leap-forward development of tactical communication.

tactical communication; multi-antenna; MIMO+OFDM technology; precoding; beamforming

TN929.53；TN915.851

1002-0802(2016)-12-1575-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.001