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無線通信智能天線技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)

云知道

作者：趙紹剛
介紹了智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的最新進(jìn)展及其優(yōu)點(diǎn)，探討了無線通信智能天線技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)以及所面臨的問題 。
要害詞智能天線無線通信分集　波束成形
1、引言
智能天線原名自適應(yīng)天線陣列(AAA，AdaptiveAntennaArray) 。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、抗干擾通信、定位及軍事通信方面等，完成空間濾波和定位功能 。近年來，隨著移動(dòng)通信的發(fā)展以及對(duì)移動(dòng)通信電波傳播、組網(wǎng)技術(shù)、天線理論等方面的研究逐漸深入，智能天線開始用于具有復(fù)雜電波傳播環(huán)境下的移動(dòng)通信 。為此，移動(dòng)通信研究者給應(yīng)用于移動(dòng)通信的自適應(yīng)天線陣起了一個(gè)較吸引人的名字——智能天線(英文名為SmartAntenna或Intelligent Antenna) 。
智能天線系統(tǒng)在無線鏈路的發(fā)射端和/或接收端帶有多根天線，為了利用移動(dòng)無線信道的空間特征，智能天線系統(tǒng)中的信號(hào)都進(jìn)行了自適應(yīng)處理 。根據(jù)信號(hào)處理是位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術(shù)被定義為多入單出(MIS0，MultipleInputSingleOutput)、單入多出(SIM0，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output) 。充分利用空間維數(shù)可以增加無線網(wǎng)絡(luò)的容量 。
在無線通信技術(shù)的發(fā)展中，智能天線已成為一個(gè)最活躍的領(lǐng)域，近年內(nèi)，幾乎所有先進(jìn)的無線通信系統(tǒng)都將采用此技術(shù) 。智能天線技術(shù)對(duì)無線通信系統(tǒng)所帶來的優(yōu)勢(shì)是目前任何技術(shù)難以替代的 。智能天線技術(shù)已經(jīng)成為無線通信中最具有吸引力的技術(shù)之一 。
到目前為止，無線系統(tǒng)中的智能天線都被作為增強(qiáng)技術(shù)，在它們的設(shè)計(jì)階段都沒有考慮復(fù)雜度和性能折衷的優(yōu)化；而在下一代無線系統(tǒng)中，智能天線技術(shù)將是系統(tǒng)設(shè)計(jì)固有的部分 。目前對(duì)于智能天線的研究主要集中在下列幾個(gè)方面：
(1)高級(jí)智能天線處理算法的設(shè)計(jì)和開發(fā)，該算法對(duì)變化的傳播特性和網(wǎng)絡(luò)條件具有適應(yīng)性和健壯性 。
(2)系統(tǒng)性能的優(yōu)化策略和不同無線系統(tǒng)、平臺(tái)之間的透明操作 。
(3)根據(jù)信道和干擾模型對(duì)提出的算法和策略進(jìn)行實(shí)際性能的評(píng)估，研究合適的性能度量和仿真方法 。
2、智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)
在如圖1所示的一個(gè)多發(fā)射多接收天線系統(tǒng)中，發(fā)送的數(shù)據(jù)塊需要進(jìn)行編碼和復(fù)星座圖的映射 。在空時(shí)加權(quán)后，每個(gè)符號(hào)被映射到一個(gè)發(fā)射天線；信號(hào)通過無線信道后，在接收天線中首先進(jìn)行解復(fù)用，然后通過加權(quán)、解調(diào)、解碼來恢復(fù)最初的發(fā)送數(shù)據(jù) 。
圖1; 智能天線收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)
對(duì)于MISO或者M(jìn)IMO信道，一些文獻(xiàn)中給出了大量的發(fā)射機(jī)制，這些機(jī)制分別可以使頻譜效率最大、速率最高、信噪比最大(SNR，SignaltoNoiseRatio)，它們都依靠信道狀態(tài)信息(CSI，Channel State Information)在發(fā)射端和接收端的已知程度 。CSI在接收端通過信道估計(jì)可以獲得，然后通過反饋可以通知發(fā)射端 。然而，對(duì)于頻分雙工(FDD，F(xiàn)requency Division Duplex)系統(tǒng)則必須考慮到信道的互易性 。信道估計(jì)可以通過發(fā)射練習(xí)序列方法或者盲估計(jì)來獲得 。盲估計(jì)通常是利用接收到的信號(hào)的一些特性，比如恒定包絡(luò)和有限字符等進(jìn)行估計(jì) 。
對(duì)于發(fā)射端不需要CSI的發(fā)射機(jī)制，可以通過引入空域編碼或者采用空間復(fù)用增益來利用空間維數(shù) ?？沼蚓幋a方法是通過增加空間和時(shí)間的冗余度；空時(shí)編碼則是在不同的天線上發(fā)射同一信號(hào)的編碼冗余形式 。接收到的信號(hào)通過最大似然(ML，MaximumLikelihood)譯碼器進(jìn)行檢測(cè) 。最早的空時(shí)編碼是空時(shí)格碼(STTC，Space-TimeTrellisCode)，在這種方式下，接收端需要多維維特比算法 。STTC可以提供的分集等于發(fā)射天線的數(shù)目，提供的編碼增益取決于碼字的復(fù)雜度而無需犧牲帶寬效率 。空時(shí)分組編碼(STBC，Space-Time Block Code)可以提供與STTC相同的分集增益，但是它沒有編碼增益 。又由于STBC在譯碼時(shí)只需要線性處理，因此通常都使用STBC 。用于兩根發(fā)射天線的STBC碼(由Alamouti提出的)已經(jīng)被第三代移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)采納 。空時(shí)編碼技術(shù)一般假設(shè)CSI在接收端是完全已知的，當(dāng)CSI在兩端都未知時(shí)，人們提出了酉空時(shí)編碼和差分空時(shí)編碼 。

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