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多天线技术概述
一、引言
随着网络技术的不断发展与提高,用户对于无线通信的速率和质量有着越来越高的要求.当前,通信系统中传输的内容不仅仅局限于传统的文字、语音和图像,高清视频、实况直播等业务的兴起使得无线通信的数据量正在以爆炸式的速率不断增长.根据预测,无线通信业务量每年将以近2 倍的速率上涨,提高无线通信性能成为了迫在眉睫的任务.
无线通信与有线通信相比,具有传播空间环境复杂、干扰大、衰减程度高的特点.在无线通信业务量急剧增长的今天,如何将无线信道中的频谱资源进行最大化利用,实现速率快和容量高的无线通信,是目前业界正在努力研究解决的问题.
多天线技术作为无线通信中十分热门的技术之一,能够大幅度提高信道空间频谱利用率和信道容量,有效抵抗噪音干扰,在4G 时代有着广泛的应用.本文将对多天线技术中的智能天线技术和MIMO 技术进行简要介绍,并概述5G 时代多天线技术的发展趋势.
二、多天线技术概念
在研究者的不断努力下,无线通信技术发展迅速,也正因为如此,无线通信的信道的频率资源日益紧张,基于时域与频域的技术（如FDMA、TDMA 和CDMA）已经无法满足用户对于传输速率的要求.在这种情况下,多天线技术被认为是提高无线传输速率、增加信道容量、改进通信质量的重要技术.多天线技术的主要原理是将无线设备发送与接收的信号在空域进行处理,并与时域信号结合,利用空时信号的相关技术,在时域及带宽不变的基础上显著改善无线通信的容量与速率.其中,多天线技术的主要技术包括智能天线技术和MIMO 技术.
三、智能天线技术介绍
智能天线技术最早兴起于上世纪60 年代,最开始应用于军事领域,例如：相控阵雷达、声呐等.智能天线技术具有抵抗多用户干扰、降低多径衰落的优点,满足用户日益增长的通信质量要求.
3.1 智能天线技术基本原理
智能天线技术利用波束转换技术和自适应空间处理技术,在信号接收时对用户所需要的信号的到达方向进行判断,并利用合适的合并权值设定符合要求的接收模式,在对应的信号到达方向上建立主波束,并在干扰方向上设置低增益的旁瓣或零陷；在信号发送时,智能天线技术将最大化目标用户的接收功率,并降低干扰信号的影响.
3.2 智能天线基本结构
智能天线的典型结构分为三部分：(1) 天线阵,完成信号的空间采样工作；(2) 波束成形网络,对天线阵元的输出进行加权；(3) 控制单元,负责对权值进行更新.下图为智能天线系统的典型结构：
3.3 智能天线分类
智能天线主要有波束转换智能天线及自适应阵列智能天线两种.
(1) 波束转换智能天线
波束转换智能天线采用了若干并行窄波束对区域进行覆盖,波束的指向和宽度均为确定的,同时选用通信质量最优的波束为覆盖区域内的用户进行服务.波束转换智能天线具有结构简单,快速响应及鲁棒性好的优点,但由于窄波束的特性和方向图有限,当处在波束边缘位置且干扰源恰好在波束中间位置时,接收信号的效果会变差.
(2) 自适应阵列智能天线
自适应阵列智能天线对用户的到达方向进行实时预测,生成主波束,同时在干扰存在的方向上设置低增益的零陷或旁瓣.基于这样的工作原理,自适应阵列比波束转换具有更好的通信性能,能够为用户提供更快速的无线网络,目前已成为智能天线的主流应用.
四、MIMO 技术介绍
4.1 MIMO 系统结构
MIMO 系统在信号的发送与接收端均采用了多天线的结构.与智能天线不同,MIMO 系统在发送与接收端都需要进行联合空时处理.此外,MIMO 系统要求天线阵元彼此的距离较远,一般取若干个波长的距离,这样能够使天线阵元的信号彼此独立,达到空间分集的效果.下图展现了MIMO 系统的结构：
4.2 MIMO 技术原理
空时信号处理技术是MIMO 系统的核心技术.通过该技术,MIMO 系统可以充分利用多天线将时域和空域结合在一起进行信号处理工作,能够将多径影响转化为能够改善通信质量的因素,在带宽不变的情况下显著提高了无线通信系统的性能.
MIMO 技术引入了空间复用和空间分集技术,显著提高了系统的增益.空间复用的原理是将输入信号分为子流信号,通过不同的天线和子信道,进而使信道容量与天线数量之间具有线性相关的关系；空间分集增益技术在信号发送端使用编码冗余,进而获得分集增益,在保持相同的带宽和功率时,有效提高信道传输的可靠性,减小误码率.
4.3 MIMO 技术研究热点
4.3.1 MIMO 多用户研究
MIMO 的前期研究多集中于通信传输方向,并没有对多用户技术进行过多深入的研究.随着用户对于无线通信质量要求的不断提升,多用户技术近几年受到了广泛的研究与应用.多用户技术主要的研究内容包括如何削减用户间信道干扰,在一定功率情况下提高信道容量和传输速率.
4.3.2 空时编码技术
空时编码技术主要有：(1) 空时格状码；(2) 空时分组码；(3)空时分层码.空时格状码在信号发送端能够为系统提供分集和编码增益,在接收端使用多维度的维特比算法进行解码工作；空时分组码同样能够为系统提供分集增益,但无法进行编码增益,不过空时分组码提供了线性解码过程,相比空时格状码节省了很多步骤；空时分层码增加了空间的复用增益,大大提高了信号传送速率和频谱利用效率.
4.3.3 MIMO-OFDM
虽然MIMO 系统能够减弱多径衰落对通信带来的影响,但无法解决频率选择性深衰落的问题,而OFDM 技术可以减弱频率选择性衰落带来的影响.OFDM 的主要原理是将数据流从串行高速传输转变为并行低速传输,再通过调制技术,在正交的子信道上进行传输.OFDM 的子信道信号带宽低于信道相关带宽,因而子信道信号衰落均为平坦性衰落,这样便可以有效减弱干扰.将MIMO 和OFDM 进行融合,新的MIMO-OFDM 技术能够大幅度增加无线通信的传输速率和频谱资源利用率.
五、5G 时代多天线技术发展趋势
当前,5G 技术已经逐步走入人们的视野之中.5G 技术相比4G 技术在速率和带宽上又有了进一步显著的提高.面对5G 时代对通信速率和容量的巨大需求,传统的小规模MIMO 系统已经无法满足实际需求.在这种情况下,5G 时代多天线技术具有如下的发展方向与趋势：(1) 大规模天线阵列；（2）协作多点传输；（3）毫米波频带技术.
5.1 大规模天线阵列
大规模天线阵列技术的原理是,在通信基站处设置一定数量的天线阵列,进而取得比传统小规模天线阵列（阵列数量小于8）更佳的波束控制性能.同时,该技术结合空间复用,有效改善频谱利用效率,具有抗干扰性能强,提高干扰抑制增益,增加系统容量和通信范围的优点,是5G 时代的重要通信技术.
5.2 协作多点传输
协作多点传输的主要技术为对小区间通信进行调度和协作,将小区边缘的干扰信号转化为对用户有用的信号,通过这样的方式降低小区之间的信号干扰.协作多点传输的传输主要有2 种机制：
(1) 联合处理.联合处理技术将信道信息和用户通信数据进行小区共享,具有联合传输和动态小区选择两种方式.联合传输指同一用户从不同小区接收数据；动态小区选择指选择通信质量最好的小区进行通信数据的传输.
(2) 协作调度/ 波束成形.协作调度/ 波束成形指在小区之间只对信道信息进行共享,利用波束控制及波束调度的方式降低小区间的信号干扰.
5.3 毫米波频带多天线通信
当前的无线通信主要利用3GHz 以下的频带进行数据的传输,随着无线业务的不断增加,这一频段的资源已经十分紧张.在3GHz 到300GHz（波长范围为1 到100mm,称为毫米波）的频段有许多可利用的频段资源,如何将这一频段的资源利用起来,成为5G 时代无线通信的主要发展方向之一.根据通信原理,通信频率越高,信号在空间的损耗越高.因此在毫米波频段,研究者利用天线阵列进行波束赋型,进而削减损耗获得更大的信号增益.此外,毫米波通信还需要考虑建筑穿透损耗、植被穿透损耗、雨滴穿透损耗、多普勒频移等因素的影响.
六、小结
本文对多天线技术进行了简要的介绍,重点讲述了智能天线技术与MIMO 技术的相关知识,并对5G 时代多天线技术的发展趋势进行了概述.随着技术的不断发展,无线通信的速率、带宽和质量都会有着明显的提高,不同技术之间的不断融合应用与优势互补,最终会促进无线通信技术持续进步,为用户带来便利.
天线论文范文结:
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