一 介紹
智能天線通常稱為自適應天線陣列，可以形成特定的天線波束以實現定向發送和接收，並且主要用於完成空間濾波和定位。 本質上，它利用天線陣列中各元件之間的位置關係，即信號的相位關係，來克服多址干擾和多徑干擾。 這是它與傳統多樣性技術之間的本質區別。
MIMO系統是指在發送端和接收端同時使用多個天線的通信系統。 它有效地使用隨機衰落和可能的多徑傳播來使服務傳輸速率加倍。 它的核心技術是時空信號處理，它使用多個時域和空間中分佈的空間域的組合來進行信號處理。 因此，可以將其視為智能天線的擴展。
智能天線系統在移動通信鏈路的發送端/或接收端具有多個天線。 根據信號處理是位於通信鏈路的發送端還是接收端，將智能天線技術定義為多輸入單輸出（MISO）。 單輸出，單輸入多輸出（SIMO，單輸入多輸出）和多輸入多輸出（MIMO，多輸入多輸出）等
2.多輸入多輸出智能天線收發器結構及研究進展
從圖1可以看出，經過編碼，調製和空時處理（波束形成或空時編碼）後，比特流被映射到不同的信息符號中，並同時從多個天線發送出去。 接收端使用多個天線接收，執行相應的解調，解碼和空時處理。
圖1多輸入多輸出智能天線收發器結構
MIMO系統中的時空處理技術主要包括波束成形，時空編碼和空間復用。 波束成形是智能天線中的一項關鍵技術，該技術通過將主要能量引導至所需用戶來提高信噪比。 波束成形可以有效抑制同頻干擾，關鍵是確定波束成形權重。
1. MIMO系統的傳輸方案
MIMO系統的傳輸方案主要分為兩種：使數據速率最大化的傳輸方案（空間復用SDM）和使分集增益最大化的傳輸方案（空時編碼STC）。 最大數據速率傳輸方案主要通過在不同的天線上傳輸獨立的信號來實現空間復用。 空時編碼方案是指在發送端對數據流進行聯合編碼，以減少由信道衰落和噪聲引起的符號錯誤率。 它通過在發送端進行聯合編碼來增加信號的冗餘度，以便接收信號。端獲得分集增益，但是空時編碼方案無法提高數據速率。
（1）時空編碼在一些文獻中給出了大量的傳輸機制。 這些機制可以分別最大化頻譜效率，最高速率和信噪比（SNR，信噪比）。 它們都依賴於信道狀態信息（CSI）。 ，信道狀態信息）對於發射器和接收器是已知的。 通過信道估計可以在接收端獲得CSI，然後可以通過反饋來通知發送端。
對於在發送端不需要CSI的傳輸機制，可以引入空時編碼，或者可以使用空間復用增益來利用空間維度。 空時編碼主要分為空時格碼和空時分組碼。 接收信號由最大似然（ML，最大似然）解碼器檢測。 最早的時空代碼是STTC（時空網格代碼）。 這樣，接收器需要多維維特比算法。 STTC可以提供的分集等於發射天線的數量，並且提供的編碼增益取決於碼字的複雜度，而不會犧牲帶寬效率。 空時分組碼（STBC，空時分組碼）可以提供與STTC相同的分集增益，但是沒有編碼增益。 另外，由於STBC在解碼時僅需要線性處理，因此通常使用STBC。 時空編碼技術通常假定CSI在接收端是完全已知的。 當兩端的CSI未知時，提出了單時空編碼和差分時空編碼。
（2）空間復用空間復用是指在發送端發送獨立的信號，並在接收端使用ZF，MMSE，ML，V-BLAST [3]和其他方法進行解碼。 它可以最大化MIMO系統的平均傳輸速率，並且可以犧牲一些數據速率以獲得更高的分集增益。
（3）空間多路復用和空時編碼的結合將空間多路復用和空時編碼結合，並在每個數據流獲得最小分集增益的條件下最大化平均數據速率。 當前，主要有兩種方案結合了空間復用和空時編碼，鏈路編碼和使用塊碼映射的自適應MIMO系統。 鏈接編碼方案是指內部使用時空編碼，外部使用傳統的信道糾錯碼（TCM，卷積碼，RS碼）編碼方案[4]，這種方案不僅可以提供分集增益，而且可以提高系統容量。 由於信道之間的相關性會影響多天線系統的頻譜效率，因此當信道處於理想狀態或信道之間的相關性較小時，發射機採用空間復用傳輸方案，而當信道之間的相關性較大時， ，使用時空編碼。 發射計劃。
2. MIMO接收分集技術
接收端MIMO系統的解碼算法主要包括ZF算法，MMSE算法，決策反饋解碼算法，最大似然解碼算法和分層時空處理算法（貝爾實驗室分層時空，BLAST）。 其中，迫零算法和MMSE算法是線性算法，而決策解碼算法，最大似然解碼算法和分層時空處理算法是非線性算法。 在SIMO或MIMO通信鏈路的接收端，接收器或均衡器使用多徑信號來重構發送的信號。 在非選頻SIMO信道中，最佳接收機制是最大比率合併（MRC，Maximum Ratio Combining）； 對於選頻SIMO信道，最佳接收機制是ML檢測，但它是非線性的，其複雜度類似於天線。 該數字是指數的（可以由線性解碼器代替，但是性能會降低）。 ZF均衡器可以通過信道的倒數消除符號間干擾ISI（InterSymbol Interference，符號間干擾），但以放大噪聲為代價。 MMSE接收器可以在噪聲放大和ISI消除之間進行權衡。 決策反饋均衡器（DFE，Decision Feedback Equalizer）是基於決策反饋的次優非線性機制，可用於提高線性均衡器的性能。 它通過反饋濾波器從當前符號中消除了前一個符號生成的一部分ISI。 ML和線性均衡可以擴展到MIMO信道。 與MIMO接收機有關的問題是多流乾擾（MSI，多流）的存在。 MSI可能導致多個數據流之間的相互干擾。 非線性連續抵消均衡器或V-BLAST均衡器可以將MIMO信道轉換為並行信道，但是這種機制可能會傳播錯誤。
3. MIMO系統中的波束成形技術
（1）特徵波束形成MIMO系統的系統模型為r ＝ Hs + n，並且對信道矩陣H進行奇異值分解。 如果在發送端知道信道信息，則可以使用發送端的特徵波束形成和接收端的線性處理來轉換MIMO。將信道分為並行子信道。 如果發射機不知道信道狀態信息，則在多用戶環境中，可以使用隨機波束成形方法來實現多用戶分集。
（2）波束成形和空時編碼的結合在大多數情況下，可以合理地假設一部分CSI信息在發送端是已知的，因此提出了一種將空時編碼和波束成形結合的混合機制。 時空編碼和波束成形是兩種不同的發射分集技術。 空時編碼屬於開環分集技術，在發送端不需要信道信息。 陣列波束成形是一種閉環分集技術，使用信道反饋信息進行空間濾波或乾擾抑制。 信道反饋的準確性將嚴重影響波束成形的效果。 當發送方獲得部分信道狀態信息（例如信道平均值或信道協方差矩陣）時，可以根據信道信息選擇傳輸策略（波束成形或空時編碼[5]）。 在保證接收端滿足信噪比和誤碼率的條件下，波束成形的權重由反饋信道信息確定。 文獻[6] [7]指出，將功率分配，波束成形和空時編碼相結合會對發射機產生影響。聯合優化比傳統的空時編碼具有更好的性能，而不會增加設備的複雜性和傳輸速率的損失。
簡而言之，描述MIMO智能天線收發器特性的性能指標是均方誤差（MSE），SNR，誤碼率（BER，誤碼率），可達到的吞吐量，所需的發射功率和信道容量。 根據這些標準優化了發送和接收機制。 其收發器的設計應特別注意以下四個關鍵參數：（1）CSI在發送器和接收器處的可靠性； （2）發射信號的特性（調製，復用和訓練信息）； （3）優化績效考核； （4）計算複雜度。
2019-6-11 09:07:33發表評論
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0三，智能天線的優勢
在移動通信系統中，多徑和多徑延遲擴展是移動通信中的主要問題。 多徑傳播將導致嚴重的信號衰落，並且延遲擴展將導致符號間干擾，這將嚴重影響通信鏈路的質量。 同時，同信道干擾是移動通信系統容量的主要限制因素，它將影響用戶對有效網絡資源（頻率，時間）的重用。 智能天線可以通過使用多徑來提高鏈路質量，通過減少相互干擾來增加系統容量，並允許不同的天線發送不同的數據。 簡而言之，智能天線的優點可以總結如下：
（1）擴大覆蓋面。 接收端天線陣列對信號的相干接收會產生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數量成比例。
（2）降低功率/降低成本智能天線優化了特定用戶的傳輸，可以降低傳輸功率，從而降低放大器的成本。
（3）提高鏈路質量/提高可靠性的形式包括時間分集，頻率分集，代碼分集和空間分集。 使用智能天線對空間域進行採樣時，會發生空間分集。 在非頻率選擇性衰落MIMO信道中，最大空間分集階數等於發射天線數與接收天線數的乘積。 多個發射天線可以通過使用特殊的調製和編碼機制來生成發射分集，並且多個接收天線的接收分集取決於獨立衰落信號的組合。
（4）提高頻譜效率。 通過不同方法精確控制發射功率將減少同頻干擾，從而增加使用相同資源的用戶數量。 通過波束成形實現空分多址（SDMA）可以實現資源復用，從而提高數據速率和頻譜效率。 該增益也稱為空間復用增益。 在MIMO系統中，多個獨立的空間維度用於同時發送數據。 在不相關的瑞利衰落MIMO信道中，信道容量與發射和接收天線的最小數量成比例。
智能天線通常設計為專注於上述增益之一，例如波束成形，分集增益和復用增益。 這些收益之間的權衡最近已成為研究的重點。
4.未來移動通信系統中的智能天線技術
未來的移動通信系統需要可以適應各種通信環境的信號處理技術。 因此，未來智能天線設計的初始階段必須仔細考慮性能和復雜性之間的折衷。
1.物理層的可重構性
為了使移動通信收發器能夠在連續更改多個參數的環境中工作，有必要在收發器中採用可重新配置的自適應技術來調整結構以獲得最佳性能。 智能天線收發器中的可重新配置性可以被視為各種環境中收發器結構的智能切換。 例如，文獻[8] [9]提出了一種在MIMO信道中空間分集和復用之間折衷的算法。
2.不同層之間的優化
OSI（開放系統互連）模型定義的高層之間的交互可以提高整個系統的性能。 通過組合物理層，鏈路層和網絡層的參數來設計智能天線，也就是說，該設計考慮了各個層之間的關係，而不是考慮單個層。 實踐表明，僅考慮一層設計方法的性能評估是無效的。 例如，當引入調度時，通過空時編碼獲得的增益將減小甚至消失。
在OSI的不同層之間交換的信息可以分類如下：（1）CSI：必須估計信道脈衝響應，定位信息，車速，信號強度，干擾強度，干擾模型等。（2）QoS相關參數：包括時間延遲，吞吐量，誤碼率，分組錯誤率（PER，分組錯誤率）等。（3）物理層資源：包括空間處理機制，天線陣列數量，電池電量損耗等。
考慮層之間的優化標準非常重要。 在實際系統中，智能天線的鏈路質量不僅取決於採用的數據檢測方法，還取決於鏈路層採用的特定編碼機制和介質訪問控制（MAC，Medium Access Control）功能。 上層使用的協議棧性能。 因此，設計時應綜合考慮以上因素，而不是一個因素。 對於對延遲不敏感的服務，將智能天線技術（例如V-BLAST）與混合自動重複請求（H-ARQ，混合自動重複請求）機制結合在一起。
3.多用戶多樣性
在多用戶通信中，已經關注了稱為機會機制的通信方法。 基本思想是通過將信道分配給最有可能完成連續傳輸的用戶來進行複用。 這樣可以最大化系統的吞吐量。 對於反射空間信道，機會波束形成方法將指向具有最高SNR的用戶； 另一方面，在充分散射的情況下，機會機制會將信道分配給瞬時容量最高的那些用戶。 機會機制可以生成多用戶分集，可以作為代碼分集，時間分集，頻率分集或空間分集的補充。 但是影響MAC協議的設計，MAC將放棄衝突檢測機制，轉向多用戶機制。
4.實際績效評估
在未來的移動通信系統中，智能天線的使用主要取決於兩項研究的結果：
（1）在未來系統的設計階段，應考慮智能天線和移動通信環境的特性，例如傳播特性，天線陣列配置，服務模式，干擾情況和信號帶寬有效性，以確保兼容性；
（2）根據與未來系統相關的關鍵參數，通過鏈路級仿真和系統級仿真之間的優化折衷評估智能天線的實際性能。
五，總結
在基於CDMA技術的3G中使用多天線技術可以有效地減少多址干擾，並且空時處理可以大大提高CDMA系統的容量。 憑藉其在提高頻譜利用率方面的出色性能，MIMO和智能天線已成為4G發展中的熱門話題。 本文結合智能天線和MIMO系統提出了一種多輸入多輸出智能天線收發器時空信號處理方案，討論了智能天線的優勢和智能天線的未來發展趨勢，並闡述了遇到的問題。在設計中。 簡而言之，合理使用智能天線技術將大大提高未來移動通信系統的性能。
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