《宽带无线通信》报告 智能天线、MIMO与空时码 西安电子科技大学宽带无线通信实验室 李钊

内容： 智能天线 MIMO与空时编码 智能天线、MIMO与空时码的结合

（Ⅰ）智能天线 发展状况 智能天线最初用于雷达、声纳及军事通信领域，由于价格等因素，一直未能普及。近年来： （1）DSP技术的发展，智能天线技术开始在移动通信中应用； （2）移动通信的发展要求蜂窝小区在大容量下仍有高的话音质量。智能天线可以满足服务质量和扩充容量的需要。

（Ⅰ）智能天线 基本原理 利用数字信号处理技术，判断用户信号到达方向(DOA估计)，通过选择恰当的合并权值，将天线主波束对准期望用户，低增益旁瓣或零陷对准干扰信号，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。发射时，使期望用户的接收信号功率最大，同时使非期望用户受到的干扰最小，甚至为零。

（Ⅰ）智能天线 基本结构 三部分：实现信号空间采样的天线阵；对各阵元输出进行加权合并的波束成型网络；更新合并权值的控制部分。

智能天线系统示意图

智能天线的类型 波束转换智能天线 (switched beam antenna) 自适应阵列智能天线 (adaptive array antenna)

波束转换智能天线 波束转换智能天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图，它利用多个并行窄波束(15～30o水平波束宽度)覆盖整个用户区，每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定，其中质量最好的波束用于为在小区覆盖面内移动的用户服务。当移动台越过扇区时，从一个波束切换到另一个波束。

波束转换智能天线

自适应阵列智能天线 利用基带数字信号处理技术识别用户信号到达方向(DOA)，并在此方向形成空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，同时使旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而给有用信号带来最大增益，有效的减少多径影响，同时达到对干扰信号删除和抑制的目的。其技术着眼于信号环境的分析与权值的实时优化上。

自适应阵列智能天线(a)与 波束转换智能天线 (b)的比较

智能天线的优点 增加覆盖范围 抗衰落 抗干扰 频谱效率和信道容量的增加 增加传输效率 动态信道分配 实现移动台定位 提高通信的安全性

智能天线在无线通信的应用 CDMA系统是一种自干扰系统，无论IS-95CDMA，WCDMA还是CDMA2000，系统的射频污染是影响系统容量的重要因素。话务均衡；软/硬切换控制；改善远近效应，简化功率控制，降低系统成本；减少多址干扰，提高系统性能。 TD-SCDMA(时分同步码分多址) ，TDD模式。

（Ⅱ）MIMO与空时码 概述 多径传播对实际移动通信造成严重影响。利用多径引起的接收信号的某些空间特性实现接收方的信源分离。多输入—多输出(MIMO)技术在通信链路两端均使用多天线，发端将信源输出的串行码流转换成多路并行子码流，分别通过不同的发射天线元发送，接收方利用多径引起的多个接收天线上信号的不相关性从混合信号中分离出各路子码流。提高频谱利用率和链路可靠性。带来分集增益(diversity gain)和复用增益(multiplexing gain)。

分集增益 分集增益用来对抗多径引起的小尺度衰落。分集的基本原理是同一个信源信号经过几条独立的衰落链路后被接收，这些链路中的一条或几条在同一时刻以很大的概率处于不同的衰落状态。无线通信中三种传统的分集：时间分集，频率分集，空间分集。 MIMO中，发射端和接收端结合，得到一个大的分集阶数(diversity order)。假设发射天线数 ，接收天线数 ，最大链路数为 ；如果所有这些链路具有相互独立的衰落，则我们得到 阶分集。

复用增益 空分复用的思想是：发射端和接收端使用多天线，传播环境中存在丰富的多径分量，多个数据通道共用一个频率带宽，从而使信道容量线性(与天线数成正比)增加。这一增加不需要额外带宽或功率消耗。

空分复用系统框图

MIMO信道模型 窄带平坦衰落信道，准静态分析 ， 瑞利分布， ～N(0，1) ，归一化，发射功率平均分配给所有发射天线 ，发射天线上平均发射功率 等于接收天线处的SNR 。

信道容量 SISO信道容量 SIMO信道容量 MISO信道容量 MIMO信道容量

空时码 空时码是在信息理论基础上发展起来的, 适合于多天线阵信道的一种编码方案。它综合了空间分集和时间分集的优点，同时提供分集增益和编码增益。多天线系统在信道容量上比单天线系统有显著的提高。这些增加的信道容量可以用来提高信息传输速率(频谱利用率)，也可以通过增加信息冗余度来提高通信系统的性能，或在两者之间合理折衷。

空时码 按照空时码使用信道环境的不同，可以将已有的空时编码方案分成两大类： 一类要求接收端能够准确地估计信道特性，如分层空时码、空时网格码和空时分组码。 一类不要求接收端进行信道估计，如酉空时码和差分空时码。

空时分组码 (Space-time block coding)

空时分组码 假设接收端理想地获得信道信息。用 左乘 得到： 独立地送入ML检测器

空时网格码 (Space-time trellis codes) 发射的码元向量序列为： 若接收机能够理想地知道信道状态(CSI) ，则 得到瑞利衰落信道下将误判为 的概率上界： 是差错矩阵A的秩 编码增益 分集增益

空时网格码(4-PSK,4状态,MT=2,速率2bps/HZ)

（Ⅲ）智能天线、MIMO 与空时码的结合 小结 基于智能天线的系统通常只在通信连路的一端配备多天线。MIMO系统则在发射端和接收端都为多天线。MIMO可以使无线链路的容量有惊人的提高。 MIMO信道的可分离性依赖于丰富多径的存在，使信道具有空间选择性。也就是说MIMO充分地利用了多径。与此相反，一些智能天线在视距LOS或近似视距LOS的情况下性能更好。基于分集的智能天线技术可以在非视距条件下表现出良好的性能，但它们也是在努力消除多径而不是利用多径。

一种智能天线、MIMO与空时码的结合设想

一种智能天线、MIMO与空时码的结合设想 双方在建立通信前都处于全向工作模式。假设先由移动台向基站发射。 基站，全向接收，当收到移动台信息后，自适应形成指向移动台的主波束，作为下次向移动台发射信息的方向，基站转为方向工作模式。 移动台，全向发射，然后等待基站应答，收到基站的应答后，自适应形成指向基站的主波束，作为下次向基站发射信息的方向，移动台转为方向工作模式。 建立通信后，基站和移动台都工作在方向模式，并可定期地根据接收到的对方信息进行方位估计，对下一次的发射方向进行校正。

一种智能天线、MIMO与空时码的结合设想 问题：系统的复杂度的增加，从而导致成本的增加；多天线在移动台实现困难。

一种智能天线、MIMO与空时码的结合设想——改进 考虑到基站通常位置较高，移动台到基站的上行链路散射体少，多径分量少；移动台通常位于散射体包围中，基站到移动台的下行链路散射体多，多径分量多。上行链路和下行链路具有不同的空间特性。因此，可以使移动台侧重于MIMO，简化智能天线结构，而让基站仍然在使用MIMO的同时对移动台方向性发射。这样做，虽然导致移动台的功耗无法降低，以及其它移动台对基站的干扰加大，但从降低复杂度和成本的角度考虑应该是值得的。

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