多天线技术

多天线技术综述

一、引言

进入21世纪后，无线通信网络技术高速发展，同时无线通信网络中数据业务迅速增长。根据业界的普遍预测，在未来10年间里，数据业务将以每年1.6

2倍的速率增长，预计到2020年通信网络的容量需求将是目前的1000倍[1]，这无疑给整个无线通信网络带来了巨大的挑战。而多天线技术作为一种增强通信系统的方法，很早就应用到了无线通信网络中，且其价值也在无线通信领域得到了认可。研究表明，作为多天线技术之一的多进多出MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术能够很好的提高无线通信系统的频谱利用率。采用MIMO 技术在室内传播环境下的频谱效率能够达到2040bit/s/Hz，而使用传统的无

线通信技术在移动蜂窝中的频谱效率仅为15bit/s/Hz，在点对点的固定微波

系统中也只有1012bit/s/Hz[2]。由此可见，多天线技术能够在不增加功率和带宽资源的前提下有效的提高无线网络的频谱效率。

多天线技术主要是指智能天线技术和MIMO技术。基于WCDMA, CDMA2000和TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统应用的多天线技术主要是智能天线技术[3]。智能天线技术可以克服多用户间的干扰，通过空分多址增加频谱效率和信道容量；并且能够有效的抵抗多径衰落的影响，从而提高通信质量；同时，对功率的控制也可以通过在网络建设初期增加基站的覆盖范围来实现。因此，应用到支持多种业务的第三代移动通信系统中，很好的提高了传输速率，增加了频谱宽度，从而使通信服务质量得到了极大的提高。而MIMO技术是在3G向LTE（Long Term Evolution）演进中被引入的，它和正交频分复用技术0FDM相结合在LTE中起到了巨大的作用。第四代移动通信系统应用的多天线技术是智能天线技术和MIMO

技术的结合，两者的结合使第四代移动通信系统在不占用额外的频谱和传输功率的前提下大大增加了传输速率和传输的可靠性[4]。据专家预测，能够高效处理特性差异巨大的各种业务的下一代移动通信系统5G（IMT-2020）将使用大规模天

线技术[5]，大规模天线技术在5G中的引入将使系统的传输速率大大的提升，它

将是5G通信中具有革命性的技术之一。

二、多天线技术的研究

多天线技术，确切的说是对发射与接收信号进行空域的处理，如果与时域相结合，变成为空时信号处理技术，通过空时信号的处理来提高系统的容量与质量[6]。多天线技术最早应用与雷达和声呐信号处理中，由于移动通信中服务用户的增多，频率资源的日趋紧张，用户速度需求的逐渐增加，传统的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）这些时频域的信号处理技术已经不能满足需求。于是多天线技术就应用到了现代移动通信中。

1、研究背景

自从马可尼在1895年发明第一台传送无线信号的机器后，无线通信技术便开始迅速发展。特别是进入21世纪后，在新技术革命和全球信息高速公路建设浪潮的影响下，无线通信技术的发展更出现突飞猛进的势头。

20世纪70年代末，人们进入了第一代无线通信技术时代，该技术是以频分多址为基础的模拟式移动通信系统。由于受频谱利用率低的限制，第一代无线通信只能传输语音信号，对于传输大数据只能是可望而不可即。

20世纪80年代后期，人们进入了以数字移动通信技术为标准的第二代无线通信技术时代。在这一时代，研究人员利用时分多址和码分多址技术，提高了频谱利用率，支持更大的信道容量，它能达到的最大传输速率为32kbps[7]。在此基础上，移动通信公司推出了GPRS和EDGE等更加先进技术，使移动传输速率提高到了上百kbps，也有人称这时为2.5代移动通信技术。

进入21世纪后，为了进一步增加移动通信的信道容量，基于WCDMA,CDMA2000和 TD-SCDMA技术的第三代无线通信技术开始崭露头角。第三代移动通信技术支持多种业务，提高了传输速率，增加了频带宽度，并且服务质量更高，成本低。但是,无线通信技术仍然面临有哏的频谱以及越来越复杂的实时信道环境,如衰减和多径效应等。因此在不占用额外的频谱和传输功率的前提下增加系统的传输速率和传输的可靠性变得至关重要。在这种情况下,基于多输入多输出技术的第四代无线通信技术诞生了,其传输速率可达1Gbps[8]。

作为无线通信系统的关键部件,天线是福射与接收电磁波的重要系统部件,无线数据的传输都是依靠天线来完成的。天线的性能,对整个移动通信系统起着决定性的作用。并且随着现代通信技术的不断发展，如何降低多径衰落和天线间

的干扰对传输速率和频谱带宽的影响，提升整个的网络吞吐量从而提高通信质量是多天线技术急需解决的问题，值得人们进行研究。

2、研究现状及成果

多天线技术主要指智能天线技术和多进多出MIMO技术。下面将对智能天线技术和多进多出MIMO技术的发展、研究现状及成果进行阐述。

（1）智能天线技术

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。智能天线的产生是建立在对阵列天线发送或接收信号的空时处理，为系统的设计带来了更多可以利用的空间自由度，从而大大提高系统性能。这项创新最早应用在军事领域中的雷达系统[9]。由于受限于当时芯片技术和数字信号处理技术，直到20世纪90年代，随着高速低成本数字处理芯片的产生，智能天线才从军用发展到更广阔的移动通信系统中。智能天线引入到移动通信系统中克服了信道带宽资源有限的缺点，更好的满足了日益增长的移动用户的需求，在提高信道容量、频谱效率、覆盖范围、自动跟踪移动用户和补偿传播中的电磁扭曲等方面表现出了优越的性能。

自从智能天线技术应用到移动通信系统中，各国就开始对它进行了广泛的研究，并取得了一些成果。欧洲通信委员会在DECT（数字增强无线通信）基本上搭建了智能天线实验平台，对智能天线的相关算法进行了现场测试。美国Redcom 公司在时分多址PHS系统中采用了智能天线。日本ATR光电通信研究所通过波束空间处理研究了多波束智能天线，并将软件无线电的概念与智能天线结合[10]。在我国，北京信威通信技术公司早在1997年就开始了智能天线的研究与推广，其成功的研发出了SCDMA无线用户环路系统并推向市场。作为我国自主知识产权的3G系统，TD-SCDMA系统采用了TDD（时分双工）模式与智能天线技术相结合。TD-SCDMA系统的智能天线是有8个天线单元的通信阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP( 数字信号处理器) 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提