4G關(guān)鍵技術(shù)MIMO及智能天線的探討.doc

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1、4G關(guān)鍵技術(shù)MIMO及智能天線的探討個(gè)人自由通信是通信的理想境界，這也成了移動通信不斷發(fā)展的關(guān)鍵動力。個(gè)人通信網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對任何人以任何方式進(jìn)行通信（亦稱5W）的電信網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，現(xiàn)代通信技術(shù)的研究就是圍繞著這一目標(biāo)展開的。第四代移動通信系統(tǒng)（4G）就是在3G的通信技術(shù)上向5W的目標(biāo)又邁進(jìn)了一步。要真正實(shí)現(xiàn)個(gè)人通信的5W目標(biāo)，即任何時(shí)間、任何地點(diǎn)以任何方式進(jìn)行信息交流，4G系統(tǒng)還將采用許多新技術(shù)。業(yè)界認(rèn)為4G的關(guān)鍵技術(shù)主要有：MIMO技術(shù)、智能天線技術(shù)、OFDM技術(shù)、調(diào)制與編碼技術(shù)、全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、Ad

2、Hoc無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及軟件無線電技術(shù)等。由于MIMO技術(shù)可以提高系統(tǒng)的信道容量，提高信息傳輸速率，因此該技術(shù)已成為4G的關(guān)鍵技術(shù)之一。而智能天線技術(shù)可以提高接收信號的信干比和小區(qū)的用戶容量，自提出以來就深受業(yè)內(nèi)關(guān)注，已經(jīng)被TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)采用，國際電聯(lián)也明確將它作為第三代及以后移動通信技術(shù)發(fā)展的主要方向。MIMO和智能天線都是4G的關(guān)鍵技術(shù)，如果我們可以將二者有機(jī)地結(jié)合起來，就可以大大提高4G系統(tǒng)的性能，使得通信終端在更高的移動速度下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸，因此如何把MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合起來加以應(yīng)用非常值得探討。一、MIMO

3、和智能天線技術(shù)分析MIMO和智能天線都屬于多天線系統(tǒng)中的技術(shù)，這兩種技術(shù)既有共性又有顯著區(qū)別，憑借在提高頻譜利用率方面的卓越表現(xiàn)，MIMO和智能天線共同成為了4G發(fā)展中炙手可熱的新技術(shù)。（1）MIMO技術(shù)MIMO屬于天線分集技術(shù)，而天線分集是分集技術(shù)的一種，我們從分集技術(shù)認(rèn)識開始，進(jìn)而引出天線分集和MIMO技術(shù)。當(dāng)前，無線移動通信信道的衰落效應(yīng)嚴(yán)重制約了系統(tǒng)的性能，分集技術(shù)十分有效地克服了衰落效應(yīng)。分集技術(shù)的主要方式有：時(shí)間分集、頻率分集、天線分集（又稱空間分集）等，如圖1所示。天線分集分為接收分集、發(fā)送分集和收發(fā)分集三種。

4、接收分集，是指在接收端用多個(gè)天線進(jìn)行接收（MISO：MultipleInputSingleOutput）；發(fā)送分集，是指在發(fā)送端用多個(gè)天線進(jìn)行發(fā)送（SIMO：SingleInputMultipleOutput）；多天線收發(fā)（MIMO：MultipleInputMultipleOutput），是在無線鏈路兩端都使用多元天線陣列，它是發(fā)送分集和接收分集的結(jié)合。在天線分集中，MIMO性能最為優(yōu)越。（2）智能天線技術(shù)智能天線技術(shù)也用于多天線系統(tǒng)中，但它和天線分集有著很大的區(qū)別。智能天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，采用了先進(jìn)的波束轉(zhuǎn)換技術(shù)和

5、自適應(yīng)空間數(shù)字處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)用戶信號到達(dá)方向，旁瓣或零陷對準(zhǔn)干擾信號到達(dá)方向，達(dá)到充分高效利用移動用戶信號并刪除或抑制干擾信號的目的。智能天線是僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)。（3）MIMO和智能天線技術(shù)的比較MIMO和智能天線技術(shù)都用于多天線系統(tǒng)，但是兩者又有本質(zhì)的區(qū)別。從原理上看，智能天線利用到達(dá)天線陣的信號之間完全相關(guān)性形成天線方向圖，它關(guān)鍵能實(shí)現(xiàn)信號的定向發(fā)送和接收；而在MIMO中天線收發(fā)信號是全方位的，并且到達(dá)天線陣的信號必須相

6、互獨(dú)立，用多個(gè)天線接收信號來克服信號到達(dá)接收機(jī)的空間深衰落，增加分集增益。從天線結(jié)構(gòu)上看，兩種技術(shù)都可以使用多天線，智能天線通過反饋控制方式連續(xù)調(diào)整天線的方向圖，天線陣元間距一般取1/2波長，因?yàn)殛囋g距過大會減小接收信號彼此的相關(guān)程度，太小則會在方向圖上形成不必要的旁瓣；而在MIMO接收系統(tǒng)中，天線單元之間的間隔必須為多個(gè)波長，以確保到達(dá)天線陣各個(gè)單元的信號是互不相關(guān)的。從多天線系統(tǒng)來看，傳統(tǒng)的智能天線是指僅在無線鏈路的一端采用陣列天線捕獲與合并信號的處理技術(shù)，即用于MISO系統(tǒng)和SIMO系統(tǒng)，而MIMO只應(yīng)用在MIMO系

7、統(tǒng)中。二、MIMO和智能天線技術(shù)的結(jié)合MIMO和智能天線技術(shù)結(jié)合的關(guān)鍵是如何能在同一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)采用兩種技術(shù)。下面我們設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)能支持這兩種技術(shù)。本文給出了一種方案，使這兩種技術(shù)求同存異，在一個(gè)系統(tǒng)中共存。上文比較這兩種技術(shù)的異同點(diǎn)可以看出，MIMO和智能天線技術(shù)共存的主要障礙是天線結(jié)構(gòu)：智能天線要求天線間距取1/2波長，并且用于SIMO和MISO系統(tǒng)；而MIMO要求天線間距為數(shù)個(gè)波長，并且只用于MIMO系統(tǒng)。本文給出的方案很好地解決了這個(gè)問題，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，發(fā)送端和接收端均為天線陣列，天線陣元個(gè)

8、數(shù)為9，相鄰陣元的間隔為1/2波長（λ/2）。智能天線工作時(shí)，一端使用全部9個(gè)天線陣元，另一端只用一個(gè)5號天線，以滿足智能天線的工作要求；而MIMO技術(shù)發(fā)送端和接收端都只使用1、5和9號天線，組成3個(gè)發(fā)送天線、3個(gè)接收天線的MIMO系統(tǒng)，相鄰天線的間隔為2個(gè)波長（2/λ），這就滿足了MIM