4G中的MIMO智能天线技术

一、引言

智能天线通常也称作自适应天线阵列，可以形成特定的天线波束，实现定向发送和接收，主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看，它利用了天线阵列中各单元之间的位置关系，即利用了信号的相位关系克服多址干扰及多径干扰，这是它与传统分集技术的本质区别。

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。其核心技术是空时信号处理，即利用在空间中分布的多个时间域和空间域结合进行信号处理。因此，可以被看作是智能天线的扩展。

智能天线系统在移动通信链路的发射端/或接收端带有多根天线，根据信号处理位于通信链路的发射端还是接收端，智能天线技术被定义为多入单出（MISO，Multiple Input Single Output）、单入多出（SIMO，Single Input Multiple Output）和多入多出（MIMO，Multiple Input Multiple Output）等几种方式。

二、多入多出智能天线收发机结构及研究进展

从图1可以看出，比特流在经过编码、调制和空时处理（波束成行或空时编码）后，映射成不同的信息符号，从多个天线同时发射出去；在接收端用多个天线接收，进行相应解调、解码及空时处理。

图1　多输入多输出智能天线收发机结构

MIMO系统中的空时处理技术主要包括波束成形（beamforming）、空时编码（space-time coding）、空间复用（space multiplexing）等。波束成形是智能天线中的关键技术，通过将主要能量对准期望用户以提高信噪比。波束成形能有效地抑制共道干扰，其关键是波束成行权值的确定。

1.MIMO系统的发射方案

MIMO系统的发射方案主要分为两种类型：最大化数据率的发射方案（空间复用SDM）和最大化分集增益的发射方案（空时编码STC）。最大化数据率发射方案主要通过在不同天线发射相互独立的信号实现空间复用。空时编码的方案是指在发射端对数据流进行联合编码以减小由于信道衰落和噪声所导致的符号错误率，它通过在发射端的联合编码增加信号的冗余度，从而使信号在接收端获得分集增益，但空时编码方案不能提高数据率。

（1）空时编码一些文献中给出了大量的发射机制，这些机制分别可以使频谱效率最大、速率最高、信噪比（SNR，Signal to Noise Ratio）最大，它们都依赖信道状态信息（CSI，Channel State Information）在发射端和接收端的已知程度。CSI在接收端通过信道估计可以获得，然后，通过反馈可以通知发射端。

对于发射端不需要CSI的发射机制，可以引入空时编码或者采用空间复用增益来利用空间维数。空时编码主要分为空时格码和空时块码。接收到的信号通过最大似然（ML，Maximum Likelihood）译码器进行检测。最早的空时编码是空时格码STTC（Space-Time Trellis Code），在这种方式下，接收端需要多维维特比算法。STTC可以提供的分集等于发射天线的数目，提供的编码增益取决于码字的复杂度而无需牺牲带宽效率。空时分组编码（STBC，Space-Time Block Code）可以提供与STTC相同的分集增益，但是它没有编码增益。又由于STBC在译码时只需要线性处理，因此，通常都使用STBC。空时编码技术一般假设CSI在接收端是完全已知的，当CSI在两端都未知时，提出了酉空时编码和差分空时编码。

（2）空间复用空间复用是指在发射端发射相互独立的信号，在接收端用ZF，MMSE，ML，V-BLAST[3]等方法进行解码。它能最大化MIMO系统的平均发射速率，可牺牲一些数据率获得更高的分集增益。

（3）空间复用和空时编码结合将空间复用和空时编码相结合，在保证每个数据流获得最小分集增益的条件下，最大化平均数据率。目前，将空间复用和空时编码相结合的方案主要有两种，链接编码和使用块码映射的自适应MIMO系统。链接编码方案是指在内部使用空时编码，外部使用传统的信道纠错码（TCM，卷积码，RS码）的编码方案[4]，这种方案既能提供分集增益，又能提高系统容量。因为信道间的相关性将影响多天线系统的频谱效率，当信道处于理想状态或信道间相关性小时，发射端采用空间复用的发射方案，当信道间相关性大时，采用空时编码的发射方案。

2.MIMO的接收分集技术

MIMO系统在接收端的解码算法主要有ZF算法、MMSE算法、判决反馈解码算法、最大似然解码算法和分层空时处理算法（bell labs layered space-time，BLAST）。其中，迫零算法和MMSE算法是线性算法，而判决解码算法，最大似然解码算法和分层空时处理算法是非线性算法。在SIMO或者MIMO通信链路的接收端，接收机或者均衡器利用多径信号重构发射信号。在非频率选择SIMO信道下