多天線技術(shù),，是指在發(fā)送端或接收端都采用多根天線的無線通信技術(shù),，是近期發(fā)展較快的熱點研究技術(shù)之一,。采用多天線技術(shù)可獲得功率增益,、空間分集增益、空間復用增益,、陣列增益和干擾抑制增益［1］,，從而可以在不顯著增加無線通信系統(tǒng)成本的同時，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍,、鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)傳輸速率,。多天線技術(shù)有不同的實現(xiàn)模式，如波束賦形［2］,、循環(huán)延遲分集［3］,，空間分集［4-6］、空間復用［7］,，以及他們之間的結(jié)合,。

　　1 多天線技術(shù)模式介紹

　　每種多天線技術(shù)模式都各有其特點，下面將詳細介紹他們的原理和特點,。

　?。?） 空間分集技術(shù)

　　空間分集是在空間引入信號冗余以達到分集的目的。如圖1中空間分集所示,，發(fā)送端通過在兩根天線的兩個時刻發(fā)送正交的信息集合,，從而獲得分集增益。

　?。?） 空間復用技術(shù)

　　空間復用是在每根天線上的同一時頻資源上,，發(fā)送不同信息，以達到在不增加頻譜資源的情況下成倍提高頻譜效率的目的，如圖1中空間復用所示,。通常人們將空間分集和空間復用技術(shù)稱為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù),。

　　（3） 波束賦形技術(shù)

　　波束賦形（BF）是基于自適應(yīng)天線原理,，利用天線陣列通過先進的信號處理算法分別對各物理天線進行加權(quán)處理的一種技術(shù),。如圖2所示，發(fā)射端對數(shù)據(jù)流S1進行加權(quán),，并發(fā)送出去,。在接收端看來，整個天線陣列相當于一根虛擬天線,。通過加權(quán)處理后,，天線陣列形成一個窄發(fā)射波束對準目標接收端，并在干擾接收端方向形成零點以減小干擾,。

　?。?） MIMO+BF技術(shù)

　　由于BF技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，沒有復用增益,。尤其是當信道質(zhì)量較好時,，使用BF帶來的傳輸速率提升并不明顯。因此,，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率,，可將BF技術(shù)與MIMO結(jié)合起來［8-9］?？臻g分集與波束賦形的結(jié)合,，稱為空間分集波束賦形（SD＋BF）；而空間復用與波束賦形的結(jié)合,，則稱為復用波束賦形（SM＋BF）,。其中的一種實現(xiàn)方案如圖3所示。發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列,，在每個子陣列上利用波束賦形技術(shù),，形成一根虛擬天線或者波束，2個波束間構(gòu)成空間分集或者空間復用,。

　?。?） 循環(huán)延遲分集技術(shù)

　　循環(huán)延遲分集（CDD）是正交頻分復用（OFDM）［10］技術(shù)中常用的一種多天線發(fā)送分集方案，他在各個物理天線上發(fā)送相同的頻域數(shù)據(jù),，并對時域的OFDM符號進行不同的循環(huán)延遲,，以此來獲得頻域分集增益。其發(fā)送端如圖4所示,，時域數(shù)據(jù)流S1在各物理天線上分別進行循環(huán)延遲δi后再發(fā)送出去,。其中,，δi為循環(huán)延遲量，i=1,，2,，3，4,，δ1一般為0,。經(jīng)過CDD處理后，整個天線陣列在接收端看來,，也相當于一根虛擬天線,。

　　（6） CDD +MIMO 技術(shù)

　　由于CDD技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流,，當信道條件比較好時,，可以跟MIMO技術(shù)相結(jié)合來提升傳輸速率［11-12］?？臻g分集與循環(huán)延遲分集的結(jié)合,，稱為空間分集循環(huán)延遲分集（SD＋CDD）；而空間復用與循環(huán)延遲分集的結(jié)合,，稱為空間復用循環(huán)延遲分集（SM＋CDD）,。其中的一種實現(xiàn)方案如圖5所示，發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列,，每個子陣列做CDD處理，形成一根虛擬天線,。

　　多天線技術(shù),，是指在發(fā)送端或接收端都采用多根天線的無線通信技術(shù)，是近期發(fā)展較快的熱點研究技術(shù)之一,。采用多天線技術(shù)可獲得功率增益,、空間分集增益、空間復用增益,、陣列增益和干擾抑制增益［1］,，從而可以在不顯著增加無線通信系統(tǒng)成本的同時，提高系統(tǒng)的覆蓋范圍,、鏈路的穩(wěn)定性和系統(tǒng)傳輸速率,。多天線技術(shù)有不同的實現(xiàn)模式，如波束賦形［2］,、循環(huán)延遲分集［3］,，空間分集［4-6］、空間復用［7］,，以及他們之間的結(jié)合,。

　　1 多天線技術(shù)模式介紹

　　每種多天線技術(shù)模式都各有其特點，下面將詳細介紹他們的原理和特點。

　?。?） 空間分集技術(shù)

　　空間分集是在空間引入信號冗余以達到分集的目的,。如圖1中空間分集所示，發(fā)送端通過在兩根天線的兩個時刻發(fā)送正交的信息集合,，從而獲得分集增益,。

　　（2） 空間復用技術(shù)

　　空間復用是在每根天線上的同一時頻資源上,，發(fā)送不同信息,，以達到在不增加頻譜資源的情況下成倍提高頻譜效率的目的，如圖1中空間復用所示,。通常人們將空間分集和空間復用技術(shù)稱為多輸入多輸出（MIMO）技術(shù),。

　　（3） 波束賦形技術(shù)

　　波束賦形（BF）是基于自適應(yīng)天線原理,，利用天線陣列通過先進的信號處理算法分別對各物理天線進行加權(quán)處理的一種技術(shù),。如圖2所示，發(fā)射端對數(shù)據(jù)流S1進行加權(quán),，并發(fā)送出去,。在接收端看來，整個天線陣列相當于一根虛擬天線,。通過加權(quán)處理后,，天線陣列形成一個窄發(fā)射波束對準目標接收端，并在干擾接收端方向形成零點以減小干擾,。

　?。?） MIMO+BF技術(shù)

　　由于BF技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流，沒有復用增益,。尤其是當信道質(zhì)量較好時,，使用BF帶來的傳輸速率提升并不明顯。因此,，為了進一步提高系統(tǒng)傳輸速率,，可將BF技術(shù)與MIMO結(jié)合起來［8-9］?？臻g分集與波束賦形的結(jié)合,，稱為空間分集波束賦形（SD＋BF）；而空間復用與波束賦形的結(jié)合,，則稱為復用波束賦形（SM＋BF）,。其中的一種實現(xiàn)方案如圖3所示。發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列,，在每個子陣列上利用波束賦形技術(shù),，形成一根虛擬天線或者波束,，2個波束間構(gòu)成空間分集或者空間復用。

　?。?） 循環(huán)延遲分集技術(shù)

　　循環(huán)延遲分集（CDD）是正交頻分復用（OFDM）［10］技術(shù)中常用的一種多天線發(fā)送分集方案,，他在各個物理天線上發(fā)送相同的頻域數(shù)據(jù)，并對時域的OFDM符號進行不同的循環(huán)延遲,，以此來獲得頻域分集增益,。其發(fā)送端如圖4所示，時域數(shù)據(jù)流S1在各物理天線上分別進行循環(huán)延遲δi后再發(fā)送出去,。其中,，δi為循環(huán)延遲量，i=1,，2,，3，4,，δ1一般為0,。經(jīng)過CDD處理后，整個天線陣列在接收端看來,，也相當于一根虛擬天線,。

　　（6） CDD +MIMO 技術(shù)

　　由于CDD技術(shù)在同一時刻只發(fā)射一個數(shù)據(jù)流,，當信道條件比較好時,，可以跟MIMO技術(shù)相結(jié)合來提升傳輸速率［11-12］?？臻g分集與循環(huán)延遲分集的結(jié)合,，稱為空間分集循環(huán)延遲分集（SD＋CDD）；而空間復用與循環(huán)延遲分集的結(jié)合,，稱為空間復用循環(huán)延遲分集（SM＋CDD）。其中的一種實現(xiàn)方案如圖5所示,，發(fā)送端的4根物理天線被分成2個子陣列,，每個子陣列做CDD處理，形成一根虛擬天線,。

　　2 多天線技術(shù)比較

　?。?） 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

　　每種多天線技術(shù)模式在每根物理天線上發(fā)送的數(shù)據(jù)是不一樣的。以IEEE 802.16e［4］ 4天線為例,，在兩個相鄰的符號內(nèi),，并在同一個數(shù)據(jù)子載波上，每根物理天線發(fā)送的頻域數(shù)據(jù)流如表1所示,?？臻g復用使用的是BLAST編碼［7］,；空間分集使用的是Alamouti編碼，他在兩個正交頻分多址（OFDMA）符號間引入冗余,。第i 根發(fā)送天線上第k個數(shù)據(jù)子載波對應(yīng)的BF權(quán)值為wi（k）,， i =1，2,，3,，4。另外,，對時域數(shù)據(jù)進行的循環(huán)延遲,，等價于頻域數(shù)據(jù)乘以一個相位旋轉(zhuǎn)

　　其中，系數(shù)0.5是功率歸一化因子,，NF是IFFT的點數(shù),，k是子載波索引，δ1是CDD的循環(huán)延遲量,，i =1,，2，3,，4,。數(shù)據(jù)流為S1，S2,，S3,，S4……。

　?。?） 特點

　　一般情況下,，BF、SD＋BF,、SM＋BF需要根據(jù)信道狀態(tài)信息動態(tài)調(diào)整權(quán)值,，屬于閉環(huán)技術(shù)，需要對導頻進行波束賦形,，所以必須支持專用導頻,；而CDD、SD＋CDD,、SM＋CDD可以在發(fā)送端并不知曉信道狀態(tài)信息的情況下完成,，屬于開環(huán)技術(shù)。SM＋BF,、SM＋CDD在不同的虛擬天線上可以發(fā)送不同的數(shù)據(jù)流,，在信道條件比較好的情況下，能提升系統(tǒng)的傳輸能力,，滿足用戶高速率傳輸數(shù)據(jù)的需求,；而BF,、SD＋BF、CDD,、SD＋CDD主要依靠在空間維引入冗余以達到分集增益,，進而增加鏈路的穩(wěn)定性和覆蓋范圍。另外,，SD＋BF,、SD＋CDD 每個虛擬天線可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)流，并在時域或頻域引入冗余以獲得空間分集增益,，平均1個時刻只發(fā)1個數(shù)據(jù)流,；BF、CDD每個時刻只有1個數(shù)據(jù)流,，更適合信道相關(guān)性高的場景,，實現(xiàn)簡單，對用戶透明,，且不要求支持MIMO技術(shù),。在所有這些多天線技術(shù)模式中，比較常見的天線配置是發(fā)送端共有4根或者8根天線,，而接收端只有1～2根天線,。以上這些特點的總結(jié)如表2中所示。

　?。?） 影響因素

　　CDD,、SD＋CDD、SM＋CDD靠人為引入信道多徑時延來獲得頻域分集增益,，他們可以在未知信道狀態(tài)信息的情況下完成,；而BF、SD＋BF,、SM＋BF則需要估算波束賦形的權(quán)值,，并要求用戶反饋信道狀態(tài)信息，或利用信道的互易性特點,，因此其性能會在很大程度上受權(quán)值估計的準確性和及時性影響,。表3總結(jié)適合各種多天線技術(shù)模式的應(yīng)用場景［13］。

　　3 自適應(yīng)模式切換

　　每種多天線技術(shù)模式都有其特點和應(yīng)用場景,。實際通信時，由于用戶的物理位置,、信道環(huán)境,、移動速度、業(yè)務(wù)類型等存在著很大的差異,，單獨使用哪種技術(shù)都不能最佳地發(fā)揮系統(tǒng)的性能,。無線通信系統(tǒng)需要在不同的模式間自適應(yīng)地切換,，以適應(yīng)信道環(huán)境等因素的改變，從而最大限度地提升系統(tǒng)的性能,，滿足用戶高質(zhì)量的通信要求［14］,。

　　實際應(yīng)用中，實現(xiàn)各種多天線技術(shù)模式的自適應(yīng)切換是一個充滿挑戰(zhàn)的工作,。首先,，影響多天線技術(shù)模式性能的因素有很多［15］。所以算法設(shè)計時,，需要對這些影響因素進行深入分析和研究,，并根據(jù)情況設(shè)計不同的算法以滿足系統(tǒng)配置、信道條件,、業(yè)務(wù)類型等多樣性要求,。

　　其次，模式切換的類型很多,。我們在對多天線技術(shù)的性質(zhì)進行深入分析和大量仿真的基礎(chǔ)上,，將切換類型分成3類：BF相關(guān)技術(shù)（BF、SD＋BF,、SM＋BF）之間的相互切換,；CDD相關(guān)技術(shù)（CDD、SD＋CDD,、SM＋CDD）之間的相互切換,；BF相關(guān)技術(shù)與CDD相關(guān)技術(shù)之間的切換，如圖6所示,。

　　根據(jù)接收端的移動速度或者相鄰兩個權(quán)值的相關(guān)性,，選擇使用BF相關(guān)技術(shù)或者CDD相關(guān)技術(shù)。如果選擇了BF相關(guān)技術(shù),，那么需要計算SM＋BF,、SD＋BF、BF模式下的頻譜效率,，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式,；如果選擇了CDD相關(guān)技術(shù)，則需要計算SM＋CDD,、SD＋CDD,、CDD頻譜效率，并選擇頻譜效率大的模式為最佳的數(shù)據(jù)發(fā)送模式,。

　　4 結(jié)束語

　　文章介紹了各種多天線技術(shù)模式的概念,，分析比較了各種多天線技術(shù)模式的性能、影響因素和應(yīng)用場景,。最后介紹了多天線技術(shù)模式切換的算法,。

　　中興通訊對多天線技術(shù)的研究進行了大量的投入,，并且取得了顯著的成果，是最早掌握該技術(shù)的通信設(shè)備商之一,。不僅實現(xiàn)了各種多天線技術(shù)模式,，還對影響多天線技術(shù)的因素進行了深入的分析、大量仿真和實際系統(tǒng)的驗證,?？梢愿鶕?jù)場景或者信道環(huán)境靈活地選擇多天線技術(shù)模式，以最大限度地提高通信系統(tǒng)的性能,，從而能夠滿足客戶的高質(zhì)量通信要求,。

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