4G关键技术MIMO及智能天线的探讨

    个人自由通信是通信的理想境界，这也成了移动通信不断发展的关键动力。个人通信网是实现任何人在任何时间、任何地点对任何人以任何方式进行通信（亦称5W）的电信网络。实际上，现代通信技术的研究就是围绕着这一目标展开的。第四代移动通信系统（4G）就是在3G的通信技术上向5W的目标又迈进了一步。要真正实现个人通信的5W目标，即任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流，4G系统还将采用许多新技术。业界认为4G的关键技术主要有：MIMO技术、智能天线技术、OFDM技术、调制与编码技术、全IP网络技术、AdHoc无线网络技术以及软件无线电技术等。

    南京邮电大学通信与信息工程学院 孔媛媛

    由于MIMO技术可以提高系统的信道容量，提高信息传输速率，因此该技术已成为4G的关键技术之一。而智能天线技术可以提高接收信号的信干比和小区的用户容量，自提出以来就深受业内关注，已经被TD-SCDMA标准采用，国际电联也明确将它作为第三代及以后移动通信技术发展的主要方向。

    MIMO和智能天线都是4G的关键技术，如果我们可以将二者有机地结合起来，就可以大大提高4G系统的性能，使得通信终端在更高的移动速度下实现可靠传输，因此如何把MIMO和智能天线技术结合起来加以应用非常值得探讨。

    一、MIMO和智能天线技术分析

    MIMO和智能天线都属于多天线系统中的技术，这两种技术既有共性又有显著区别，凭借在提高频谱利用率方面的卓越表现，MIMO和智能天线共同成为了4G发展中炙手可热的新技术。

    （1）MIMO技术

    MIMO属于天线分集技术，而天线分集是分集技术的一种，我们从分集技术认识开始，进而引出天线分集和MIMO技术。

    当前，无线移动通信信道的衰落效应严重制约了系统的性能，分集技术十分有效地克服了衰落效应。分集技术的主要方式有：时间分集、频率分集、天线分集（又称空间分集）等，如图1所示。

    天线分集分为接收分集、发送分集和收发分集三种。接收分集，是指在接收端用多个天线进行接收（MISO：MultipleInputSingleOutput）；发送分集，是指在发送端用多个天线进行发送（SIMO：Single Input Multiple Output）；多天线收发（MIMO：Multiple Input Multiple Output），是在无线链路两端都使用多元天线阵列，它是发送分集和接收分集的结合。在天线分集中，MIMO性能最为优越。

    （2）智能天线技术

    智能天线技术也用于多天线系统中，但它和天线分集有着很大的区别。智能天线利用数字信号处理技术，采用了先进的波束转换技术和自适应空间数字处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。智能天线是仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，即用于MISO系统和SIMO系统。

    （3）MIMO和智能天线技术的比较

    MIMO和智能天线技术都用于多天线系统，但是两者又有本质的区别。

    从原理上看，智能天线利用到达天线阵的信号之间完全相关性形成天线方向图，它关键能实现信号的定向发送和接收；而在MIMO中天线收发信号是全方位的，并且到达天线阵的信号必须相互独立，用多个天线接收信号来克服信号到达接收机的空间深衰落，增加分集增益。

    从天线结构上看，两种技术都可以使用多天线，智能天线通过反馈控制方式连续调整天线的方向图，天线阵元间距一般取1/2波长，因为阵元间距过大会减小接收信号彼此的相关程度，太小则会在方向图上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系统中，天线单元之间的间隔必须为多个波长，以确保到达天线阵各个单元的信号是互不相关的。

    从多天线系统来看，传统的智能天线是指仅在无线链路的一端采用阵列天线捕获与合并信号的处理技术，即用于MISO系统和SIMO系统，而MIMO只应用在MIMO系统中。

    二、MIMO和智能天线技术的结合

    MIMO和智能天线技术结合的关键是如何能在同一个系统中同时采用两种技术。下面我们设计一个系统，同时能支持这两种技术。本文给出了一种方案，使这两种技术求同存异，在一个系统中共存。

    上文比较这两种技术的异同点可以看出，MIMO和智能天线技术共存的主要障碍是天线结构：智能天线要求天线间距取1/2波长，并且用于SIMO和MISO系统；而MIMO要求天线间距为数个波长，并且只用于MIMO系统。本文给出的方案很好地解决了这个问题，整个系统的结构如图2所示。

    图2中，发送端和接收端均为天线阵列，天线阵元个数为9，相邻阵元的间隔为1/2波长（λ/2）。智能天线工作时，一端使用全部9个天线阵元，另一端只用一个5号天线，以满足智能天线的工作要求；而MIMO技术发送端和接收端都只使用1、5和9号天线，组成3个发送天线、3个接收天线的MIMO系统，相邻天线的间隔为2个波长（2/λ），这就满足了MIMO技术的工作要求。

    从接收端看，天线的工作分为两个阶段，一是智能天线调整，二是MIMO接收。在智能天线调整阶段，发送端只有t5天线发送信号，接收端9个天线同时接收信号，完成智能天线调整；智能天线调整结束后，开始了MIMO接收阶段，发送端t1、t5和t9天线发送信号，接收端r1、r5和r9天线接收信号，使用MIMO技术进行信号接收。

    下面简单描述一下系统工作具体过程。在开始工作的时候，接收端的智能天线处于全向模式，这使得它可以接收来自空间各个方向的信号。发送端t5天线开始发送信号，这个信号是智能天线训练信号，用于训练智能天线，接收端检测到该信号，智能天线系统利用这9个天线单元接收到的信号迟延时间来估计出信号的到达方位角，然后将天线系统转换成方向模式工作，即天线发出的波束指向信号到达的方向。接着，发送端开始使用t1、t5和t9三个天线发送有用的数据信号，同样接收端使用r1、r5和r9三个天线接收信号，再使用MIMO技术进行信号接收。以后接收端定时估计发送端发出信号的方向，并与前一批的方向进行比较。如果发送端的位置发生大的变化并被智能天线系统检测到，则智能天线系统动态的调整其波束方向，使其重新对准发送端的方向。

    在该方案中，发送端和接收端可以是移动台或者基站，即MIMO和智能天线技术的结合在移动台和基站都可以使用。这种方案方法巧妙，可行性强，充分结合了MIMO和智能天线技术的优点，能够大大提高4G系统的性能，对实际运用有一定的指导作用。