新型智能天线中分集技术的现状分析

[摘要]文章提出新型天线系统中各种分集的定义，研究MIMo无线信道模型和信道容量，探讨目前MIMO系统中的各种分集技术，包括：空时编码技术、接收机分集技术、MIMO—OFDM技术、MIMO发射、预编码与选择发射技术、MIMO系统的多用户分集技术等，为新型天线系统的研究和开发提供有益的参考。

[关键词]智能天线；MIMO；分集；空时编码；多用户分集

[基金项目]安徽省教育厅自然基金项目(KJ20078385ZC)

[作者简介]钱叶旺，池州学院讲师，东南大学研究生，研究方向：MIMO空时信号处理技术，安徽池州，247000：孙佐，东南大学信息科学与工程学院，江苏南京，210096

[中圈分类号]DM92

[文献标识码]A

[文章编号]1007-7723(2007)05-0027-0004

一、引言

未来移动通信中日益增加的语音业务、数据业务和宽带Internet业务，在传输速率、性能和系统业务容量等方面对无线通信系统提出了更高的要求。为了达到这个目的，仅靠利用更多的频谱资源是不够的，因此人们想到利用无线信号的空间资源，即用多天线发送和接收信号，这就是新型的智能天线(smalt Antenna)。新型智能天线包括多输入单输出(MISO)、单输入多输出(sIMO)、多输入多输出(MIMO)。新型智能天线可以充分利用空间分集的手段在空间域上获得更大的信道容量增益，从而满足高传输速率、高传输性能和高系统业务容量的要求。本文主要探讨新型天线中的MIMO系统的分集技术。

二、新型天线中的空时分集

众所周知，对于无线信道来讲，地域环境、移动终端的移动速率、传输信号的带宽和载频等参数不一样时，信道的特性也有很大差异。一般来说，当传输信号的带宽远小于信道的相干带宽，则称此信道为频率非选择性衰落信道，因为此时多径分量是不可分辨的，因而又称为单径平衰落信道，这是窄带信号传输的信道模型；如果传输信号的带宽大于信道的相干带宽，称为频率选择性衰落信道，这是宽带信号传输的信道模型。此外由于终端移动速度的快慢，又有衰落速度的快慢。慢衰落又称为准静态衰落，即信道的衰落在一个数据帧内可以近似认为保持不变；而快衰落则是每个符号周期内，信道的衰落可以看作保持不变，不同的符号则衰落不能认为相同。

克服衰落效应的最有效手段是采用分集(Di—versity)技术。根据产生分集的域的不同，主要有时间分集、频率分集和空间分集(又称天线分集)三种，分别在三个域中引入冗余，通过信号的相应复制来实现分集。如纠错编码加交织是在时间域内引入冗余；信号以多载波方式发送或以扩频方式发送时，是在频域引入冗余，可实现频率分集。显然，前两种分集都是以牺牲频率利用率为代价来提高系统性能。而利用多发射、多接收的空间分集则可以在不降低频率利用率条件下改善系统性能。空间分集分为接收天线分集和发射天线分集两种，前者的研究历史较长，主要表现为接收端多个天线的各种分集合并技术，而后者则主要表现为最近提出的空时编码或以前的延时发射、选择发射等。信息论研究结果表明，MIMO系统在信道容量上可获得线性的增长，这些增加的容量可以用来提高信息传输速率，也可以不提高信息速率而通过增加信息的空间冗余度来提高系统误码性能，或者在两者之间取一个合理的折中。因此，研究MIMO系统将会遇到各种空、时、频率分集的组合问题。

三、新型天线的分集技术的现状探讨

目前新型天线MIMO通信系统的研究包括发射、接收、编码、检测、分集、均衡等空时处理技术的研究，此研究在世界范围内广泛展开，并取得了很大进展。大量的文章发表在IEEE通信、信号处理、移动技术等年会和IEEE汇刊等国际杂志上，并出版了多个专辑。我们这里重点讨论新型天线的关键技术——分集技术，将集中在以下六个方面：

(一)MIMO无线信道模型和信道容量的探讨

准确的MIMO信道模型对实际MIMO通信系统的开发是至关重要的，它将影响MIMO系统收发机的设计、信道估计、容量分析等。现已发现实际的MIMO无线信道有如下特点：(1)收发端天线单元距离不够远或收发端散射不充分时，可导致天线单元之间的相关性；(2)室外MIMO信道随机过程一般存在直流分量，它严重影响多路增益；(3)存在由针孔效应等所引起的再生特性；(4)一般都存在较大的时延扩展。

目前已有很多有关MIMO信道模型的研究，由于研究角度各不相同，因此MIMO信道模型研究可有不同的分类：(1)若从系统的带宽角度分类，可分为窄带模型和宽带模型。(2)测量模型和散射模型。测量模型研究是根据实测的大量数据提取某些重要的特征进行信道建模，从而模型能够体现出类似或相同的特性，如室内模型、郊外模型等；散射模型研究是要建立某种模型(通常包含分布的散射)以试图描述信道的一些特征，例如Jakes模型、复指数基扩展模型等。(3)物理模型和非物理模型。非物理模型主要是统计相关模型，基于信道的统计特性，通过非物理参数对信道建模，描述信道的空间相关特性时，通常假设信道的相关阵是发射端相关阵和接收端相关阵的Kroneeker积。其优点是易于仿真；它的缺点是不能直观体现信道传输特性，参数依赖于带宽，天线阵列的排列、间距，以及测量手段等。

在实际MIMO系统研究中，常采用简单的统计相关模型，假定它是独立同分布的瑞利衰落MI-MO信道，并采用时延功率谱和多普勒谱以及收发端的两个相关阵，就获得简洁的MIMO相关衰落信道的描述。

在MIMO信道容量方面，人们从确定性MIMO信道(随机信道的一次实现)的容量出发，探讨了MIMO衰落信道在各种情况下的容量，如发射端和/或接收端是否知道当前信道状态信息(csI)，信道是平衰落的还是频率选择性衰落的，衰落信道的相关性及信噪比等对MIMO信道容量的影响。目前对瑞利平衰落的MIMO信道容量有明确的结果，而对频选MIMO信道以及衰落相关信道的容量还有待进一步的研究，对时变MIMO信道容量的研究更是还有很多未知数。

(二)MIMO空时编码分集技术的探讨

MIMO空时编码分集技术主要包括空间复用和空时编码两种，也称为发射端的信令(Signaling)方案。

1998年，Tarokh等人首次针对单径平衰落MIMO信道利用格状码原理提出了空时码(STC：Space-Time Codes)的概念和设计准则。图1是MIMO信道中的格状编码示意图。目前，针对不同的信道背景，研究设计逼近信道容量的空时格码(STfC·Space-Time TreHis Codes)仍是空时编码的一个热点课题。特别是频率选择性衰落MIMO信

道接近信道容量的空时格码的构造仍是一个具有挑战性的研究课题。

当接收天线数固定时，空时格码的译码复杂度随着状态数的增加而指数增长，因此具有较高的实现复杂性。为了降低译码复杂度，Alamouti和Tar&h提出了一种次最优空时编码的实现方法，其基本思想是将通常的SISO信道编码和简单的空时发射分集级联起来，达到降低译码复杂度和同时获得空间分集的效果。这种空时分集方式又称为空时块码(STBC：Space-Time Block Codes)。由于其实现复杂度低，空时块码是一种比较实用的获得MIMO系统空间分集的方式。这种MIMO方案在WCDMA系统中对2个发射天线和2个接收天线时的情形已经初步得到采用。空时块码方案的示意图如图2所示。

还有一种所谓的分层空时码，这种码是将多路信道编码的数据进行空时分层，在接收端进行空时分层的反过程信号处理，然后再进行信道解码。这种分层空时结构称为贝尔实验室空时分层结构(BLAST：Bell-laboratories Layered Space-Time)。严格来讲，空时分层并没有得到空间分集，而是纯粹的MIMO信道的多路传输，可以看作空时块码没有任何空间分集的极端情况。而通常的分层空时结构可分为对角分层和垂直分层两种。对角分层就是每一路的数据沿对角线展开(D BLAST)，而垂直分层则是水平展开(v-BLAST)Enl。这种BLAST结构在DS-CDMA(Direct Spread-Code DivisionMultiple Access)和多码传输系统中的应用被广泛讨论。

(三)MIMO接收机技术的探讨

接收机的设计与发射端的信令方案有关。对空时编码的方案，接收端就是MIMO空时解码。如对正交空时分组码，可将矢量检测问题解耦为标量检测问题(对频率选择性MIMO信道也可进行类似的推广，后面就采用常用的接收机结构，如迫零(ZF)、最小均方误差(MMSE)和(最优的)最大似然序列估计(MLSE)等。而对一般的空时格码，人们采用矢量Vlterbi译码。为降低译码复杂度，又提出了次优的球形译码器。对于频率选择性MIMO信道，一般都需要均衡，因此人们又设计了针对空时码的联合均衡/译码方案，在性能和复杂度之间进行折衷。

对空间复用的方案，主要是要消除各路数据流之间的干扰，已有如下几种接收机方案；(1)最大似然接收，完成矢量译码。对格型调制的码，可采用计算量较小的球形解码器。(2)迫零接收(ZFR)。(3)最小均方误差(MMSE)接收，可克服ZFR的噪声放大缺陷。(4)排序的逐次对消接收(OSCRR)，实际上就是V-BLAST的检测算法。(5)迭代译码接收，即Turbo处理。

对于相干接收方案，就必须要进行信道估计，包括基于训练序列或导频(非盲)、盲或半盲估计这几种。为获得较好的性能，一般还是采用基于训练序列或导频的信道估计。人们对训练序列或导频的最优设计、数据帧的结构设计等进行了大量研究。但MIMO信道很复杂，且要估计的参数多，因此如何在限定的条件下获得精确的MIMO信道估计仍是个很困难的问题。

(四)MIMO-OFDM技术的探讨

正如前所述，MIMO-OFDM实际上是将频率选择性信道分割为多个平衰落信道，使得均衡和接收机结构都变得相对简单。它实际上也是一种发射分集技术，只不过在频率域完成空时分集。它目前有三种方案：(1)空时分集编码方案，如每个平衰落信道都采用空时块码或空时格码；(2)空间多路方案，即各个子频带上都采用逐次对消的接收机结构；(3)空间—频率编码，是以最优地利用频率选择性MIMO信道下OFDM系统的频率分集的一种方案，是目前研究的主要方向。为实现相干检测，也存在MIMO-OFDM信道的有效估计问题。人们提出了各种最优导频的设计方案。

(五)MIMO最优发射、预编码与选择发射技术的探讨

它需要发射端预先已知或部分已知信道的状态信息(CsI)，通过设计预编码矩阵或选择发射，使发射端能量获得最优分配，即在一定的功率约束条件下，使比特速率最大化，或使误码率最小。也可以选择信道容量、分集度、阵列增益或信噪比(sNR)等作为设计准则。它的常用方案有发射端最大比合并、主特征模式传输等。由于需要发射端知道信道状态信息，因此一般采用反馈的闭环模式传递信道信息，预编码类似于在发射端进行波束形成，预编码主要有线性预编码和非线性预编码，前者有线形迫零预编码和块对角化预编码，后者包括TH预编码、矢量扰动预编码等。注意信道信息的反馈存在时延和失真的问题，因此可能要利用编码、预测等技术。尽管有很多问题，但对下行链路，它被认为是一种很有效的方案之一，因为移动终端的处理能力有限，必须充分利用基站天线的最优发射。

(六)多用户MIMO系统的分集技术的探讨

多用户分集就是利用各个用户具有彼此独立的随机信道衰落的特点，每个用户将其信道质量度量反馈到基站，基站在每个时刻合理选择最佳的用户使用信道资源，从而提高整个系统的吞吐率。目前在第三代移动通信系统中，辅以一定调度策略的多用户分集技术已经得到运用。目前主要多用户分集方案有：随机波束成型的多用户分集方案、空间发射分集的多用户分集方案、发射天线选择的多用户分集方案等。

在多用户系统中，一方面要利用多用户分集改善系统的性能，但这样会使用户信道状况差的用户很难占有信道，从而显示极不公平，所以另一方面要考虑各用户之间的公平性，这就是所谓的用户调度问题。为了实现较好的系统容量和公平性之间的折中，可以根据用户信道的统计特性调整用户调度方案，或对各用户的数据吞吐量进行跟踪来决定选择的用户。但这方面的研究才刚刚开始，怎样做到系统容量和公平性之间的合理折中也是目前多用户MIMO系统研究的一个热点。

四、结语

总之，笔者将新型天线中的分集技术研究做了探讨和总结，主要包括空时编码技术、发送分集和接收分集技术、自适应空时编码调制技术、多用户MIMO系统的分集技术等。新型天线中的技术很多，而且许多方向都已成为研究热点，我们这里主要讨论分集技术，指出当前的一些热点问题，还有许多问题如快时变多径衰落MIMO信道的有效估计、快时变MIMO信道模型的空时编码的设计、多用户调度问题等等都有待进一步研究。

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