无线通信中的多天线技术

无线通信中的多天线技术朱立勇南京熊猫汉达科技，南京22000摘要本文介绍了无线通信中常用的三种类型的多天线技术，即智能天线技术，分集技术， M1MO技术. 首先，对三种技术的基本原理进行了解释和比较，然后介绍了当前的研究热点以及未来的发展趋势和挑战. 关键字无线通信，智能天线，分集，MIMO无线通信的一个显着特征是复杂的信号传播环境，如何消除多址干扰（MA [），符号间串扰（ISI），同频干扰（CCI）和多径衰落在有限的频谱资源上传输大容量，高速率的无线数据服务的影响是无线通信系统中亟待解决的问题. 多天线技术提供了解决上述问题的新途径. 作为一种可以有效提高频谱利用率，增加系统容量，抵抗和抑制各种干扰的技术，它引起了广泛的研究，并被认为是无线通信的未来. 关键技术之一. l智能天线技术1.1智能天线的优势多个信号路径在不同时间到达所引起的延迟扩展和符号间​​干扰（ISI）将对通信链路的质量产生重大影响. 另一方面多天线接收分集技术，同频道干扰也是限制无线系统容量的主要因素. 这是由多个用户重用现有网络资源（例如频率和时间）引起的. 智能天线系统可以通过对抗多径传输效应或建设性地使用不同的路径来提高链路质量，并可以通过减少干扰并允许使用不同的天线发送不同的数据流来提高容量.

智能天线的优点总结如下: 距离/覆盖范围的增加: 由于天线单元接收到的信号的相干组合多天线接收分集技术，天线阵列或波束成形增益导致信号功率的平均增加，与信号功率成正比. 接收天线数. 降低功耗要求并降低成本: 优化目标用户的传输（传输波束成形增益）可达到降低功耗和放大器成本的效果. 提高链路质量/可靠性: 通过接收独立衰落信号分量的独立信号样本，可获得分集增益. 衰落是高度随机的. 至少一个或多个信号分量不会深度衰减. 基于这一事实，使用独立的多维原理可以减少信号的有效波动. 当使用智能天线在空域中进行采样时，可以获得时间，频率，代码和空间形式的分集. 具有非频率选择性衰落的多输入多输出信道的最大空间分集等于接收和发射天线数的乘积. 通过特定的调制和编码系统，也可以使用带有多个发射天线的发射分集，并且接收分集取决于独立多维衰落信号的合成. 提高频谱利用率: 精确控制发射和接收功率，利用训练序列知识和/或246个接收信号的其他特性（例如恒定包络，周期性稳定性）来减少干扰并增加相同的可用资源（例如时间）用户数量（入侵，频率，代码）增加了同一基站用户对这些资源的重用1.2智能天线技术面临的挑战和发展趋势智能天线当前面临的挑战是: 智能天线与其他抗干扰技术的结合干扰技术，波束形成速度，设备复杂性，下行链路共享信道和不连续传输的考虑，帧结构和相关物理层技术.

在下一代无线系统中，智能天线技术的使用应要求智能天线的特性成为系统设计的组成部分，以提高频谱利用率，最小化建设新无线网络的成本，改善服务质量质量，并实现跨多种技术的无线网络等的重新配置，可靠且透明的操作，从而产生所需的有益影响. 为了实现这一目标，该领域的未来研究将集中在以下关键问题上: （1）设计和开发先进的智能天线处理算法，以适应不断变化的传播和网络条件，并具有抵御网络破坏的顽强性. （2）为了优化系统性能并实现跨不同无线系统和平台的透明运行，开发创新的智能天线开发和设计策略. （3）在建立准确的信道和干扰模型并引入适当的性能指标和仿真方法的基础上，对所提出的算法和策略进行了实际性能评估. 2分集技术2.1分类和比较分集技术是一种通过全面接收同一传输信号的不同副本来减少传输过程中可能发生的深度衰落的技术. 从分集技术接收到的副本所处的不同领域，它可以分为4类……即时间分集，频率分集​​，角度分集和空间分集. 尽管每种分集技术都带来一定的分集增益，但它也必须付出一些资源. 时间分集是以降低传输速率为代价的，因此它不适用于高速通信场景和对延迟敏感的服务. 频率分集的代价是频谱利用率的降低和传输功率的增加. 尽管可以使用扩频技术来增加可用带宽，但是在频谱越来越紧张且可用频率已成为稀缺资源的情况下，使用频率分集作为这种主要分集方法也是不明智的.

角分集也是一种多天线分集的方法，但是它使用特殊的定向天线. 角度分集面临的问题是天线阵列不能覆盖所有多径方向，因此不可避免地会带来发射功率. 损失，严重的条件甚至可能导致性能下降. 一般而言，空间多样性是这些类型的多样性技术中最好的. 它不会导致额外的功率损耗，也不会牺牲频率或传输速率. 它需要付出的代价是设备成本和复杂性的增加. 性别. 随着技术的发展，硬件和软件的成本可以不断降低，而其他自然资源则不可再生. 因此，从整体性能和发展趋势的角度来看，空间多样性具有其他几种多样性技术的优点，并避免了它们的缺点. 目前，丽艳是最可取的. 2.2分集技术的发展趋势从分集技术的发展，随着多天线技术在通信中的应用，空间分集是主要的分集技术，因为与时间和频率分集相比，它不需要牺牲带宽和传输率，并可以获得分集增益，更好地抵抗247路径衰落. 多天线分集（空间分集）分为发射分集和接收分集. 接收分集的实现相对简单. 在基站和移动终端之间的通信中，基站相对容易实现由移动终端发送的多径信号的接收分集，但是在移动终端侧，由于体积和成本的限制，这是相对容易的. 对于基站发射的信号，无需实现接收分集. 太现实了. 因此，传输分集技术变得越来越重要.

在发射分集技术的研究中，空间分集技术从时间分集到空时编码的演进也经历了发展. 使用空时编码的空间分集技术不需要信道信息的反馈，并且计算量相对较小. 在当前使用的多天线系统中，混合分集技术—空间/时间分集和空间/频率分集也是经常使用的技术. 对于空间分集，当使用空时编码时，不仅要考虑分集增益（分集）的最大化，而且还要考虑分集和空间复用（自由度）的最大化. 简而言之，分集技术的研究重点往往是空间分集技术的完善以及空间分集与其他分集技术甚至复用技术的结合. 3MIMO技术具有悠久的多源历史. Marconi提议早在1908年就使用它来抵抗信号的衰减. 但是，直到1990年代，贝尔实验室才大力推动这项技术的发展. 1995年，Telada提供了衰落条件下的MIMO容量. 1996年，Foschini提出了一种多输出处理算法-对角贝尔实验室分层时空（D-BLAST）算法H'. 1998 Tarok等. 讨论了比其他人更多的人的时空代码； 1998年，Wallinsky等人使用Vertical-Bell Labs分层时空（V-BLAST）算法建立了MIMO实验系统，在室内实验中达到了20位. 高于/ s / Hz的频谱利用率，这在普通系统中是非常困难的.

这些工作受到各国学者的高度重视，MIMO技术的研究工作发展迅速. 3.1 MIMO的工作原理多输出（MIMO）技术要求空间传播的信号应在发送端和接收端使用此技术[4j]. 它是在不增加传输带宽的情况下，尽可能快地通过不同的空间路径发送信号，从而提高了系统的频谱利用率. 理论研究证明，该技术可以在不增加带宽的情况下增加通信系统的容量和频谱利用率，这是新一代无线通信系统采用的关键技术. 该技术突破了传统的理论，即多径信号是必须抑制系统干扰的局限性，使多径信号成为浪费，对通信理论做出了巨大贡献. 具体原理如图1所示. 本质上，该技术是“空分复用”技术. \ T1（n）T2（n）“ L个基带代码流入. Vs（n）时空编码，）d）1）A∑TN（n）时空解码S in. 鉴别接收V7（n）周围1 MIMO系统框图MIMO技术本质上是为系统提供空间复用增益和发射分集增益，目前对MIMO信道的研究主要集中在这两个方面，在MIMO通信中，空时编码将数据分为多个数据. 在两个天线上同时发送以建立空间分离信号和时间分离信号之间的关系，通过在发射天线之间的时域引入编码冗余来获得分集增益；空间复用将输入数据划分为多个子流，每个子流都被发送在不同的天线中，并且在同一频带中使用了多个数据信道（MIMO子信道），因此容量随着天线数量的增加而线性增加.

空间分集增益可以提高信道可靠性. 降低系统误码率；空间复用增益可以大大增加信道容量，并且不需要占用额外的带宽和发射功率. 3.2 MIMO技术研究的现状和趋势（1）正交频分复用（OFDM）技术的结合许多研究人员认为，MIMO + OFDM是未来4G移动通信系统的主要核心技术. 因为单个多输出（MIMO）系统可以在一定程度上使用多径信号分量，但对于深度频率选择性衰落仍然无能为力. 尽管单OFDM技术通过部分重叠彼此正交的彼此相邻的子信道来提高频谱利用率，但是与4G系统所需的极高频谱利用率相比仍有一定差距. 如果将两种技术有机地结合起来，则可以在更高的OFDM技术频谱利用率的基础上进一步利用空间资源，从而可以进一步提高频谱利用率. （2）空时编码技术目前，空时编码主要包括空时格码（STrC），空时分组码（STBC）和空时分层码（BLAST）. 传输分集主要通过空时编码实现. 空时编码的主要思想是利用空时编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率. 根据延迟的传输分集，Tarokh等人. 提出了一种时空网格码，它具有卷积码的特征，并结合了网格编码，调制和发射分集. 在不增加带宽的情况下，它可以同时获得全套和高编码增益.

它使用某种网格图从多个天线发送相同的信息，并在接收端使用基于欧几里德距离的维特比解码. 它的复杂度很高，并且随着传输速率成指数增长，但是其性能好，抗衰落能力强. 随后发现时空分组码. 时空编码开始盛行. 80.16d标准使用两个发射天线来实现发射分集，这主要基于Alamouti方案中的正交空时代码编码. 该方案的关键是两个发射天线的两个序列. 正交之间. 空间复用是在发送端发送独立的信号，接收端通过干扰抑制进行解码，主要是为了提高系统的传输速率. 空间复用传输方案主要是分层时空码结构（BLAST）. BLAST不会通过信号转换（编码，调制，映射等）在符号之间引入正交性，但是会充分利用通道的多径特性来消除信号之间的相关性. BLAST结构主要分为垂直BLAST（V-BLAST）和对角BLAST（D-BLAST）. 接收端的相关技术包括最大似然检测，最小均方误差，迫零和球形解码. （3）多用户MIMO的研究多用户MIMO与单用户MIMO的区别主要在于，在多用户MIMO系统中，用户组数据占用相同的时频资源，即用户组数据为在同一副载波上传输. 因此，多用户MIMO可以有效地提高系统吞吐量.

但是随之而来的问题是如何消除多用户MIMO系统中用户之间的同信道干扰. 消除用户之间干扰的最佳多用户MIMO方案是使用“脏纸理论”的预编码方案. 该方案要求发送端充分了解用户之间的干扰，然后通过脏纸理论的预编码方法将其完全消除. 用户之间的干扰. 但是，该方案非常复杂，不能在实际系统中应用. 如何设计一种有效的消除用户干扰的方案有待进一步研究. 考虑实际网络的应用将导致许多与调度有关的问题. 对于多用户MIMO下行系统的广播信道，当大量用户通过快速时变信道共享网络时，基站通过使用智能调度算法来提高传输质​​量. 一种方法是使用多用户分集来最大化调度. 系统的多用户分集假设249个用户的信道衰落是不相关的，调度程序可以根据每个用户的瞬时信道质量分配资源，以获得多用户分集增益和更高的系统吞吐量. 多用户分集的一种方法是在每个时隙中，将数据发送到基站所有发射天线中的最佳用户. （4）关于移动终端的MIMO系统的研究真正的MIMO系统必须在发送端和接收端使用MIMO技术来利用它. 然而，由于其自​​身的几何尺寸和使用限制，当前难以在移动终端中实现移动终端. 因此，必须对如何在移动终端中使用移动终端进行深入研究.

4结束语多天线技术是一门综合性学科，涉及天线技术，波传输技术，数字信号处理技术和信号检测等多个学科. 未来的移动通信将支持高速，大容量的数据服务，而多天线技术中的智能天线和MIMO技术可大大提高频谱利用率，增加系统容量，提高传输速率并消除同频干扰. 地址干扰等是未来移动通信中的关键技术. 多天线技术的发展前景非常广阔. 尽管在理论研究和应用方面已经取得了一些成就，但与多天线技术的理想情况还是相去甚远. 将来仍有许多问题需要研究和解决. 参考文献[1]安德里亚. Goldsmit，MilesCommunications [M]. Cambridge Unity Press，2005 [2]顾培斌，韩俊峰. 无线通信中分集技术的发展[J]. 邮电设计技术，2008 [3] Foshinini [4] GJ. 分层的时空弧形结构，最前面的无线通信渐弱. 服装[J]. Bell Labs-33Journal，1996，（2）: 41-59陈长英，杨秀红，杜龙安. 无线通信系统的多天线技术[J]. 山东科学，2004，17（4）: 29无线无线通讯中的天线天线朱立勇，南宁，熊猫-汉达表演艺术，南京210002本文研究了无线通讯中使用的三类多天线技术. 引入了阳离子即智能天线，分集和MIMO. 首先是基本原理，即从技术上对第三类的mpmp五分析. 第三次重要松弛∞8r {ch. 未来的发展趋势和对储存的挑战. 关键字: 无线通信，智能天线，分集，MIMO无线通信的多天线技术: 作者: 朱立勇，南京熊猫汉科技，南京210002引用格式: 朱立勇多天线无线通信技术[会议论文集] 2012

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