带你读《5G大规模天线增强技术》——1.2 多天线在移动通信的应用

简介: 带你读《5G大规模天线增强技术》——1.2 多天线在移动通信的应用

1.2 多天线在移动通信的应用


多天线技术[1-17]是指在发送端和/或接收端都采用多根天线的移动通信技术,确切地说是对发射与接收信号进行空域处理,它最早应用在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,数据速率需求的逐渐增加,传统的频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)等这些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现代移动通信中,成为移动通信系统中的关键技术之一。通过对具有丰富散射环境的信道进行积极地利用,多天线技术可实现系统收发的空间复用与分集[4],可以获得功率增益、空间分集增益、空间复用增益、阵列增益和干扰抑制增益,从而在不显著增加移动通信系统成本的同时,提高系统的覆盖范围、链路的稳定性和系统传输速率。


近年来,许多国内外学者对MIMO技术的理论、性能、算法及具体实现方式等各方面进行了研究,在理论和性能方面已经发表了很多成果。贝尔实验室的BLAST(Bell-Laboratories Layered Space-Time)系统是最早研制的MIMO实验系统,利用每对发送和接收天线上信号特有的“空间标识”,在接收端对其进行“恢复”。基于学术界对MIMO技术的研究和评估,工业界也开始将MIMO技术规范化和商业化,无线局域网络(WLAN)和LTE3GPP的长期演进)是应用最广泛的含有MIMO技术的标准[11]。多天线技术有不同的实现模式,如波束赋形、空间分集、空间复用,以及它们之间的结合。


1.2.1波束赋形


波束赋形是一种基于天线阵列的信号预处理技术,它利用发射端或接收端的多根天线(一般情况下天线之间的信道相关性比较强),以一定的方式形成一个特定波束,使目标方向上的天线增益最大并抑制其他方向上的干扰。

波束赋形技术在扩大覆盖范围、改善边缘吞吐量及干扰抑制等方面有很大的优势。


1.2.2 空间分集


移动通信系统中广泛使用分集技术来弱化多径衰落的影响,并且在不增加发射功率或不牺牲带宽的前提下提高传输的可靠性。分集的基本思想是利用信号的两个或多个独立样本,每个样本经历不相关的无线信道衰落,如果采用适当的方式合并这些样本值,则可以大大降低衰落的影响,从而提高传输的可靠性[1]。分集技术主要包括时间分集、频率分集和空间分集。其中,空间分集是指利用多天线间较低的无线信道的相关性,提供额外的分集来对抗无线信道的衰落,是一种被用以恢复信号完整度的技术。


根据在发射端还是接收端使用多根发射天线,空间分集又分为发射分集和接收分集两类。


发射分集[5]分为有反馈方案和无反馈方案,有反馈方案依赖接收端反馈的信道信息对多根天线发送的信号进行处理;无反馈方案是指发射机不需要知道信道的任何信息,对传输信号进行特殊的处理后,在多根发送天线上发送,如Alamouti空时编码。


接收分集是指在接收端使用多根天线接收发射信号的独立副本,通过合适的信号处理算法合并发射信号的副本来降低多径衰落的影响,提高接收信噪比。对于有反馈方案的发射分集系统而言,调制信号按照不同的加权因子从多个发射天线发射,自适应地选择发射天线的加权因子使得接收信号功率或信道容量达到最大。


1.2.3 空间复用


空间复用是指多天线系统将高速数据流分成多路低速数据流,经过编码后调制到多根发射天线上进行发送。由于不同空间信道间具有相对独立的衰落特性,因此接收端通过最小均方误差或者串行干扰删除等技术,就能够区分这些并行的数据流[10]。这种方式下,使用相同的时频资源可以获取更高的数据传输速率,意味着频谱效率和峰值速率都得到提高。


1.2.4 干扰管理


无线频谱资源非常宝贵,为了尽可能地提高频谱的利用效率,移动通信系统引入频率重用的概念。然而,使用相同频率资源的小区之间会产生共信道干扰,降低了系统的服务质量。


当使用多天线时,可以利用目标用户的空间特征和共信道用户的空间特征之间的差别来管理干扰,如干扰抑制、干扰对齐等技术。干扰管理可以在发送端实现,也可以在发送端和接收端通过联合方式实现,其目标是在确保目标用户接收质量的同时,尽可能地把发向共信道用户的干扰功率最小化,从而允许移动通信网络能更好地进行频率重用。

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