探讨MIMO智能天线技术在4G中的应用

2022-09-10

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, 。

MIM0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4 G的关键技术, 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。

1 4G概述

第四代移动通信的概念可称为宽带接入和分布网络, 具有非对称的和超过2Mbit/s的数据传输能力。此外, 第四代移动通信系统将是多功能集成的宽带移动通信系统, 集3G与WLAN于一体, 能够传输高质量视频图像, 它的图像传输质量与高清晰度电视不相上下。4G系统能够以100Mbps的速度下载, 比目前的拨号上网快2000倍, 上传的速度也能达到20Mbps, 并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

简单而言, 4G是一种超高速无线网络, 一种不需要电缆的信息超级高速公路。这样在有限的频谱资源上实现高速率和大容量, 就需要频谱效率极高的技术。

2 MIMO智能天线技术在4G中的应用

2.1 概述

2.1.1 什么是智能天线

智能天线技术可以定义为:具有波束成形能力的天线阵列, 可以形成特定的天线波束, 实现定向发送和接收。

智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向, 产生空间定向波束, 使天线主波束对准用户信号到达方向DOA (Direction of Arrinal) , 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。同时, 智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异, 通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰, 使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下, 使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

2.1.2 什么是MIMO

2MIMO, 即Multiple-InputMultiple-Out-put系统, 该技术是利用多天线来抑制信道衰落。根据收发两端天线数量, 相对于普通的SISO系统, MIMO还可以包括SIMO系统和MISO系统。可以看出, 此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大。也就是说可以利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量, 在不增加带宽和天线发送功率的情况下, 频谱利用率可以成倍地提高。

2.1.3 MIMO技术与智能天线的关系

MIMO技术的核心是空时信号处理。因此, MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。智能天线通常也被称作自适应天线, 主要用于完成空间滤波和定位。从本质上看, 智能天线利用了天线阵列中各单元之间的位置关系, 即利用了信号的相位关系, 这是它与传统分集技术的本质区别。从一定意义上看, 智能天线可以看作是一种空分多址SDMA。在SDMA中, 多个用户可共享一个通道, 这将极大地增加系统容量。

2.2 MIMO技术的发展及应用

多进多出 (MIMO) 技术由来已久, 早在1908年马可尼就提出用它来抗衰落。在70年代有人提出将多入多出技术用于通信系统, 但是对无线移动通信系统多入多出技术产生巨大推动的奠基工作则是90年代由AT&TBell实验室学者完成的。

1995年Teladar给出了在衰落情况下的MIMO容量。

1996年Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室分层空时 (D-BLAST) 算法。

1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码。

1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时 (V-BLAST) 算法建立了一个MIMO实验系统, 在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率, 这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意, 并使得多入多出的研究工作得到了迅速发展。

2.3 MIMO技术的作用

MIMO技术能够充分开发空间资源, 利用多个天线实现多发多收, 在不需要增加频谱资源和天线发送功率的情况下, 可以成倍地提高信道容量。它可以成为新一代移动通信核心技术的解决方案。

2.4 MIMO系统的实现

MIMO系统示意图如图1所示, 该技术最早是由Marconi于1908年提出的, 它利用多天线来抑制信道衰落。

在发射端和接收端分别设置多副发射天线和接收天线, 其出发点是将多发送天线与多接收天线相结合以改善每个用户的通信质量 (如差错率) 或提高通信效率 (如数据速率) 。MIMO技术实质上是为系统提供空间复用增益和空间分集增益, 空间复用技术可以大大提高信道容量, 而空间分集则可以提高信道的可靠性, 降低信道误码率。

3 结语

MIMO技术已经成为无线通信领域的关键技术之一, 通过近几年的持续发展, MIMO技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面, 第3代移动通信合作计划 (3GPP) 已经在标准中加入了MIMO技术相关的内容, B3G和4G的系统中也将应用MIMO技术。在无线宽带接入系统中, 正在制订中的802.16e、802.11n和802.20等标准也采用了MIMO技术。在其他无线通信系统研究中, 如超宽带 (UWB) 系统、感知无线电系统 (CR) , 都在考虑应用MIMO技术。

随着使用天线数目的增加, MIMO技术实现的复杂度大幅度增高, 从而限制了天线的使用数目, 不能充分发挥MIMO技术的优势。目前, 如何在保证一定的系统性能的基础上降低MIMO技术的算法复杂度和实现复杂度, 仍然是业界需要面对的巨大挑战。

摘要：在已经商用的第三代移动通信系统和正在酝酿的第四代移动通信系统中, 为提高信道容量和传输速率以及通信质量, 这2种系统都涉及到了MIMO多天线阵列无线传输物理层体系结构这项关键技术。凭在提高频谱利用率方面的卓越表现, MIMO和智能天线成为4G发展中炙手可热的课题。本文采用智能天线与MIMO系统结合, 讨论了MIMO技术的优点和未来智能天线的发展趋势同。

关键词：4G,MIMO,智能天线,赋形技术