MIMO系統(tǒng)中的天線選擇技術(shù)

摘要：MIMO系統(tǒng)是無(wú)線通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，他能夠極大地提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。然而使用多個(gè)射頻的MIMO系統(tǒng)增加了天線的體積、功率和硬件，從而增加了成本。因此尋找具有MIMO天線優(yōu)點(diǎn)且低價(jià)格、低復(fù)雜度的最優(yōu)天線選擇極具吸引力。總結(jié)了天線選擇的方案、介紹了兩類關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)算法和最新研究進(jìn)展，并在性能上進(jìn)行分析比較，最后指出了該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：MIMO；天線選擇；空時(shí)編碼；無(wú)線通信

引言

隨著無(wú)線通信的迅猛發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信業(yè)務(wù)的類型和質(zhì)量的要求越來(lái)越高。在當(dāng)前頻譜資源下提高通信速率和可靠性的辦法之一就是使用多個(gè)發(fā)送和多個(gè)接收天線，也就是多輸入多輸出(MIMO)的通信系統(tǒng)。由于MIMO系統(tǒng)不可避免地要在發(fā)送端和接收端設(shè)置多副天線，導(dǎo)致其射頻鏈路的硬件成本和通信雙方為保持信道的非相關(guān)性所需空間的局限性(尤其是移動(dòng)終端)，以及天線數(shù)目的增加導(dǎo)致的空時(shí)碼編解碼的復(fù)雜性都在一定程度上限制了MIMO系統(tǒng)的應(yīng)用，因此如何才能做到既要保持多天線系統(tǒng)較高的頻譜效率和較高的可靠性，又要降低系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本已逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)。目前，一種較有前景的技術(shù)就是在發(fā)送端或者接收端進(jìn)行天線選擇，用以克服MIMO系統(tǒng)的上述缺點(diǎn)。

天線選擇方案

最優(yōu)天線選擇準(zhǔn)則可分為2種：(1)以最大化多天線提供的分集增益提高傳輸質(zhì)量；(2)以最大化多天線提供的容量來(lái)提高傳輸效率。一般來(lái)說(shuō)，天線選擇既可以在發(fā)送端進(jìn)行，也可以在接收端進(jìn)行，或者收發(fā)兩端同時(shí)進(jìn)行，他們對(duì)MIMO系統(tǒng)的性能影響不同，因此要視具體情況而定。

接收天線選擇
   
　　接收天線選擇與RAKE接收提供的類似，接收機(jī)可收到發(fā)送信號(hào)的幾個(gè)版本，每個(gè)都經(jīng)歷了不同的復(fù)數(shù)衰落系數(shù)和噪聲。假接收機(jī)有N個(gè)接收天線，要從N個(gè)天線選擇n個(gè)接收，經(jīng)過(guò)空間復(fù)用恢復(fù)原始數(shù)據(jù)輸出。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　使用接收天線選擇的MIMO系統(tǒng)

接收信號(hào)的分集合并方法主要有3種：

選擇分集　選擇來(lái)自SNR最高的路徑信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；

最大比合并(MRC) 　基于路徑信號(hào)的最佳線性組合進(jìn)行判決；

等增益合并(EGC)　簡(jiǎn)單地將各條路徑的信號(hào)相加。

當(dāng)n=1時(shí)，即接收端只有一個(gè)RF分支，但為了進(jìn)行最佳選擇需要知道所有支路的SNR。解決此問(wèn)題    的方法之一是，基于信道增益的準(zhǔn)靜態(tài)性，在發(fā)送數(shù)據(jù)前綴使用訓(xùn)練序列，通過(guò)掃描天線，尋找信    道增益最高的天線，選擇他來(lái)接收下一個(gè)數(shù)據(jù)。

當(dāng)n≥2時(shí)，接收機(jī)的RF鏈路不止1條，可以選擇接收天線的一個(gè)子集然后進(jìn)行信號(hào)合并，稱為廣義選擇。選擇路徑的合并可以通過(guò)MRC或EGC進(jìn)行，其中MRC具有更好的性能，但是算法較麻煩，而EGC比較簡(jiǎn)單，但效率較低。

發(fā)送天線選擇

對(duì)一發(fā)送天線選擇系統(tǒng)，假定從m個(gè)RF鏈和M根發(fā)天線(M>m)，接收端只有一根收天線。要從M根發(fā)天線中選擇最合適的m根天線。天線的選擇是在接收端進(jìn)行的，通過(guò)信道估計(jì)獲得信道準(zhǔn)確信息，選擇信道增益最佳的m個(gè)發(fā)送天線，再通過(guò)反饋鏈路通知發(fā)送端，如圖2所示。

圖2　使用發(fā)送天線選擇的MIMO系統(tǒng)

與收天線選擇不同，需要從接收端到發(fā)射端的反饋路徑。反饋速率很小，尤其是使用單天線選擇時(shí)，除了這個(gè)差別以外，發(fā)天線選擇和收天線選擇很類似，選擇提供最高接收SNR的天線。要求發(fā)射機(jī)不僅知道m(xù)根最合適的天線，而且需要知道從每根發(fā)天線到接收機(jī)的復(fù)值信道增益。當(dāng)發(fā)射機(jī)知道信道信息，可以得到一些額外的容量。當(dāng)發(fā)射機(jī)完全知道所有的信道系數(shù)，信道容量將得到最大，即有信道狀態(tài)信息(CSI)的無(wú)線信道容量比沒(méi)有CSI的要高。

收發(fā)聯(lián)合選擇

收發(fā)聯(lián)合選擇是在發(fā)射端和接收端同時(shí)應(yīng)用選擇分集。如有M根發(fā)天線，N根接收天線，發(fā)送和接收端分別有m和n個(gè)RF鏈�？偟男诺谰仃嘓=M×N，選擇天線的信道矩陣為H′=m×n。通常要使用空時(shí)碼進(jìn)行分集，如圖3所示。

聯(lián)合發(fā)送/接收選擇機(jī)制必須選擇的行和列形成子集，最大化發(fā)收信道增益的幅度平方和，不易實(shí)現(xiàn)。

天線選擇實(shí)現(xiàn)算法

天線選擇實(shí)現(xiàn)算法很多，但一般可歸納為兩類：分集最大化的空時(shí)分組編碼算法和信道容量最大化的空間多路復(fù)用算法。

    
    圖3　使用聯(lián)合收發(fā)天線選擇的MIMO系統(tǒng)

分集最大化的空時(shí)分組編碼算法

對(duì)發(fā)射天線進(jìn)行有效配置和使多元發(fā)射天線的分集達(dá)到最佳的一組方案稱為空時(shí)編碼，他結(jié)合了信道編碼和多發(fā)射天線，通過(guò)空時(shí)碼后的數(shù)據(jù)被串并轉(zhuǎn)換成m個(gè)數(shù)據(jù)流，每一路數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)編碼調(diào)制，通過(guò)m天線同時(shí)發(fā)送到信道。接收端通過(guò)最大似然檢測(cè)方法，正確識(shí)別發(fā)送信號(hào)。可將空時(shí)譯碼算法和信道估計(jì)技術(shù)結(jié)合從而獲得分集增益和編碼增益。

空時(shí)格碼STTC(Space —Time Trellis Code)是由Tarokh首先提出，他是在時(shí)延分集的基礎(chǔ)上與TCM編碼結(jié)合得到的，是一種改進(jìn)的傳輸分集方式，適用于多種無(wú)線信道環(huán)境。STTC的頻帶利用率不隨天線數(shù)目增加而增加，他的譯碼復(fù)雜度隨分集增益和頻帶利用率呈指數(shù)增長(zhǎng)�？諘r(shí)格碼的最優(yōu)設(shè)計(jì)是最大化任意兩個(gè)碼字矩陣之間的歐氏距離，如何設(shè)計(jì)一個(gè)好的碼字也是一個(gè)難點(diǎn)。近年來(lái)有不少研究工作，以改進(jìn)最初的STTC的性能，主要集中在新碼字的構(gòu)造，搜索不同的卷積STTC系統(tǒng)，或是對(duì)最初設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。但是，這些方法都只能獲得邊緣增益，不能大量提高增益。

空時(shí)分組碼STBC(Space— Time Block Code)是由Alamouti提出的，他使用2根發(fā)射天線，接收端使用最大似然譯碼，由于使用線性處理，復(fù)雜度較低，在3G中的WCDMA和CDMA2000都采用這種簡(jiǎn)單的傳輸分集方案。STBC的一個(gè)特點(diǎn)是各根天線發(fā)射的信號(hào)是正交的，滿足正交性的STBC可以獲得最大的分集增益，但是以編碼增益和部分頻帶利用率為代價(jià)得到的，也可以犧牲正交性來(lái)獲得速率為1b/s的碼字(N>2)。

分層空時(shí)碼LSTC(Layer —Space Time Code)是Foschini提出的一類空時(shí)碼。其基本原理是將輸入的信息比特流分解為多個(gè)比特流，獨(dú)立地進(jìn)行編碼、調(diào)制，然后映射到多根發(fā)射天線。接收端利用各個(gè)子信道因多徑衰落而產(chǎn)生的不同特性來(lái)提取信息。根據(jù)信源消息與發(fā)射天線之間的映射關(guān)系，可以將LSTC分為水平、垂直和對(duì)角3類。LSTC在解碼時(shí)只利用了信道信息，性能在很大程度上依賴于信道的衰落環(huán)境和對(duì)信道衰落特性的估計(jì)。雖然LSTC的頻帶利用率較高，但是以部分分集增益為代價(jià)換來(lái)的。LSTC要求接收天線至少等于發(fā)射天線數(shù)，這在實(shí)際中是一個(gè)難題。

STBC采用正交結(jié)構(gòu)，譯碼采用最大似然譯碼，復(fù)雜度較低；STTC采用維特比譯碼，復(fù)雜度較高，但能夠?qū)崿F(xiàn)在性能與復(fù)雜度之間的最佳平衡；LSTC譯碼前先進(jìn)行包括干擾抑制和干擾抵消的分離操作，分離后的信號(hào)再由一維分量碼開發(fā)的卷積譯碼算法，復(fù)雜度對(duì)于最大似然譯碼要小得多，但LSTC接收機(jī)的復(fù)雜度將隨著數(shù)據(jù)率的增加而線性升高。

目前很多學(xué)者在從事MIMO系統(tǒng)中空時(shí)碼編碼的研究，如采用組合卷積碼和時(shí)空分組碼進(jìn)行天線選擇，分析了一定衰落信道系統(tǒng)誤比特率的特性，在編碼器復(fù)雜度相同的情況，提高系統(tǒng)性能。針對(duì)移動(dòng)臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，接收端進(jìn)行信道估計(jì)十分困難，Hochwald提出了酉空時(shí)碼，即在接收端不需要信道估計(jì)的酉空時(shí)碼，以及Hochwald在此基礎(chǔ)將酉空時(shí)碼推廣，提出一種差分空時(shí)碼；隨著對(duì)Turbo碼和低密度碼研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)采用級(jí)聯(lián)碼和迭代譯碼可以更接近Shannon限。所以，現(xiàn)在有不少級(jí)聯(lián)空時(shí)碼的研究成果，文獻(xiàn)[3]提出了一種并行級(jí)聯(lián)迭代空時(shí)碼，這種形式的級(jí)聯(lián)空時(shí)碼在很大程度上提高了空時(shí)碼的性能，但是由于引入了級(jí)聯(lián)和迭代譯碼，譯碼復(fù)雜度變得更高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難。如何構(gòu)造復(fù)雜度較低的級(jí)聯(lián)空時(shí)碼是一個(gè)很重要的研究方向。

信道容量最大化的空間多路復(fù)用算法

可以認(rèn)為空間多路復(fù)用是一類特殊的空間分組碼。實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實(shí)驗(yàn)室的VBLAST算法、ZF迫零算法、MMSE最小均方誤碼算法、ML最大似然算法。

VBLAST是一種可以實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法，1998年由Foschini和G.Golden提出。該算法不是對(duì)所有的發(fā)送信號(hào)一起解碼，而是首先對(duì)最強(qiáng)的信號(hào)解碼，然后在接收到的信號(hào)中減去這個(gè)最強(qiáng)的信號(hào)，再對(duì)剩余信號(hào)中的最強(qiáng)信號(hào)解碼，再減去這個(gè)信號(hào)，這樣依次進(jìn)行，直到所有的信號(hào)都被譯出。該算法復(fù)雜度和譯碼性能綜合考慮下一種最優(yōu)的譯碼算法。

ML最大似然法，也稱為最佳譯碼法，他是指接收機(jī)把可能發(fā)送信號(hào)的所有組合與觀測(cè)值進(jìn)行比較，具有很好的譯碼性能，但是復(fù)雜度比較大，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的無(wú)線通信不能滿足要求。最近提出了這個(gè)算法的很多改進(jìn)形如球形譯碼。

ZF迫零檢測(cè)法，是一種線性接收方法，直接使用矩陣擬變換，簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，可以很好地分離同頻信號(hào)，但是需要有較高的信噪比才能保持較好的性能，在某些隨機(jī)衰落環(huán)境下，信道矩陣可能變成“病態(tài)”，這時(shí)會(huì)得到很差的效果。

MMSE可以使由于噪聲和同頻信號(hào)相互干擾造成的錯(cuò)誤最小，盡管他降低了信號(hào)分離的質(zhì)量，但具有較好的抗噪性能。

近年來(lái)，提出了這些算法的改進(jìn)型，如使用聯(lián)合ML和STBC的空間多路復(fù)用(MLSTBC)，在低SNR時(shí)效果較好。隨著天線的增加，分集效果趨于穩(wěn)定，而空間多路復(fù)用的數(shù)據(jù)速率增益與天線數(shù)保持線性關(guān)系。因此，當(dāng)天線數(shù)目較多的時(shí)候，最好把大部分天線用于空時(shí)復(fù)用上，而把少部分天線用于空時(shí)編碼，通過(guò)天線選擇，保持較大的系統(tǒng)增益。

天線選擇的實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題

信道建模與估計(jì)

目前對(duì)天線選擇的研究是在一定信道狀態(tài)信息(CSI)條件下進(jìn)行，即發(fā)送天線選擇時(shí)在發(fā)射機(jī)端或在接收天線選擇在接收端均需要了解一定的CSI。而實(shí)際上在接收端無(wú)線傳播環(huán)境中是不可能知道信道沖激響應(yīng)的，因此要進(jìn)行信道估計(jì)。在3GPP會(huì)議中，由朗訊、諾基亞、西門子和愛(ài)立信公司聯(lián)合提出了標(biāo)準(zhǔn)化MIMO信道的建立。推薦的信道建模方法有基于相關(guān)的方法和基于子徑的方法。但對(duì)于如何實(shí)現(xiàn)沒(méi)有達(dá)成共識(shí)。到目前為止ITU還沒(méi)有統(tǒng)一的MIMO信道模型。

射頻開關(guān)的實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在的技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)射頻RF開關(guān)。目前生產(chǎn)的開關(guān)有轉(zhuǎn)換損耗，必須通過(guò)在發(fā)射機(jī)的放大器中使用更大的發(fā)射功率，在接收端使用更敏感的低噪聲放大器來(lái)補(bǔ)償，這會(huì)抵消天線選擇帶來(lái)的好處。

算法的實(shí)現(xiàn)

天線選擇可以減少硬件的復(fù)雜度和成本，獲得分集增益或提高系統(tǒng)容量，但這些都是以計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)的。在MIMO中使用信道估計(jì)和天線選擇算法都會(huì)增加復(fù)雜度。如最佳天線選擇基于接收信號(hào)的SNR，但是在實(shí)際中很難使用包絡(luò)檢波器檢測(cè)出SNR最高的信號(hào)。如聯(lián)合發(fā)送/接收選擇方案中，連續(xù)選擇最好的接收機(jī)，然后選擇發(fā)射機(jī)并不一定會(huì)得到總的最佳選擇。實(shí)際上，除了耗盡搜索，現(xiàn)在還沒(méi)有更好的聯(lián)合收發(fā)天線選擇方案。

天線問(wèn)題

天線的數(shù)目和天線之間的距離是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在基站上安裝大量天線，還會(huì)帶來(lái)環(huán)境上的問(wèn)題。因此，一般將天線的數(shù)目限于一個(gè)中等的值，如4根天線，天線之間的距離為10λ。選用比較大的距離是因?yàn)榛�站一般建在比較高的位置，并不能保證可以抵消相關(guān)衰落。在基站使用雙極性天線，4根天線距離為115m(10λ)就可以。對(duì)終端，1/2λ的間距可以保證相當(dāng)?shù)牟幌嚓P(guān)衰落。這些天線可以嵌入到筆記本電腦中，然而，對(duì)手機(jī)而言，安裝2根天線也是一個(gè)問(wèn)題。因?yàn)槭謾C(jī)的發(fā)展趨勢(shì)是將天線內(nèi)置，以改進(jìn)手機(jī)的外觀，這使得對(duì)間距的要求更嚴(yán)格。

天線選擇還存在幾個(gè)未解決的問(wèn)題，如天線選擇的碼字設(shè)計(jì)和分析；最佳聯(lián)合發(fā)送和接收天線選擇問(wèn)題；在接收端沒(méi)有信道信息時(shí)，天線選擇的性能評(píng)估等。