自适应多天线技术

多天线技术，是指在发送端或接收端都采用多根天线的无线通信技术，是近期发展较快的热点研究技术之一。采用多天线技术可获得功率增益、空间分集增益、空间复用增益、阵列增益和干扰抑制增益［1］，从而可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统的覆盖范围、链路的稳定性和系统传输速率。多天线技术有不同的实现模式，如波束赋形［2］、循环延迟分集［3］，空间分集［4-6］、空间复用［7］，以及他们之间的结合。

　　1 多天线技术模式介绍

　　每种多天线技术模式都各有其特点，下面将详细介绍他们的原理和特点。

　　（1） 空间分集技术

　　空间分集是在空间引入信号冗余以达到分集的目的。如图1中空间分集所示，发送端通过在两根天线的两个时刻发送正交的信息集合，从而获得分集增益。

　　（2） 空间复用技术

　　空间复用是在每根天线上的同一时频资源上，发送不同信息，以达到在不增加频谱资源的情况下成倍提高频谱效率的目的，如图1中空间复用所示。通常人们将空间分集和空间复用技术称为多输入多输出（MIMO）技术。

　　（3） 波束赋形技术

　　波束赋形（BF）是基于自适应天线原理，利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各物理天线进行加权处理的一种技术。如图2所示，发射端对数据流S1进行加权，并发送出去。在接收端看来，整个天线阵列相当于一根虚拟天线。通过加权处理后，天线阵列形成一个窄发射波束对准目标接收端，并在干扰接收端方向形成零点以减小干扰。

　　（4） MIMO+BF技术

　　由于BF技术在同一时刻只发射一个数据流，没有复用增益。尤其是当信道质量较好时，使用BF带来的传输速率提升并不明显。因此，为了进一步提高系统传输速率，可将BF技术与MIMO结合起来［8-9］。空间分集与波束赋形的结合，称为空间分集波束赋形（SD＋BF）；而空间复用与波束赋形的结合，则称为复用波束赋形（SM＋BF）。其中的一种实现方案如图3所示。发送端的4根物理天线被分成2个子阵列，在每个子阵列上利用波束赋形技术，形成一根虚拟天线或者波束，2个波束间构成空间分集或者空间复用。

　　（5） 循环延迟分集技术

　　循环延迟分集（CDD）是正交频分复用（OFDM）［10］技术中常用的一种多天线发送分集方案，他在各个物理天线上发送相同的频域数据，并对时域的 OFDM符号进行不同的循环延迟，以此来获得频域分集增益。其发送端如图4所示，时域数据流S1在各物理天线上分别进行循环延迟δi后再发送出去。其中，δi为循环延迟量，i=1，2，3，4，δ1一般为0。经过CDD处理后，整个天线阵列在接收端看来，也相当于一根虚拟天线。

　　（6） CDD +MIMO 技术

　　由于CDD技术在同一时刻只发射一个数据流，当信道条件比较好时，可以跟MIMO技术相结合来提升传输速率［11-12］。空间分集与循环延迟分集的结合，称为空间分集循环延迟分集（SD＋CDD）；而空间复用与循环延迟分集的结合，称为空间复用循环延迟分集（SM＋CDD）。其中的一种实现方案如图5 所示，发送端的4根物理天线被分成2个子阵列，每个子阵列做CDD处理，形成一根虚拟天线。

　　　2 多天线技术比较

　　（1） 数据发送格式

　　每种多天线技术模式在每根物理 天线上发送的数据是不一样的。以IEEE 802.16e［4］ 4天线为例，在两个相邻的符号内，并在同一个数据子载波上，每根物理天线发送的频域数据流如表1所示。空间复用使用的是BLAST编码［7］；空间分集使 用的是Alamouti编码，他在两个正交频分多址（OFDMA）符号间引入冗余。第i 根发送天线上第k个数据子载波对应的BF权值为wi（k）， i =1，2，3，4。另外，对时域数据进行的循环延迟，等价于频域数据乘以一个相位旋转

　　其中，系数0.5是功率归一化因子，NF是IFFT的点数，k是子载波索引，δ1是CDD的循环延迟量，i =1，2，3，4。数据流为S1，S2，S3，S4……。

　　（2） 特点

一般情况下，BF、SD＋BF、SM＋BF需要根据信道状态信息动态调整权值，属于闭环技术，需要对导频进行波束赋形，所以必须支持专用导频；而 CDD、SD＋CDD、SM＋CDD可以在发送端并不知晓信道状态信息的情况下完成，属于开环技术。SM＋BF、SM＋CDD在不同的虚拟天线上可以发送 不同的数据流，在信道条件比较好的情况下，能提升系统的传输能力，满足用户高速率传输数据的需求；而BF、SD＋BF、CDD、SD＋CDD主要依靠在空 间维引入冗余以达到分集增益，进而增加链路的稳定性和覆盖范围。另外，SD＋BF、SD＋CDD 每个虚拟天线可以发送一个数据流，并在时域或频域引入冗余以获得空间分集增益，平均1个时刻只发1个数据流；BF、CDD每个时刻只有