LTE无线系统的天线技术分析.doc

LTE无线系统的天线技术分析多输入、多输出(MIMO)空间分集天线配置专门针对3GPP长期演进技术(LTE)移动通信系统而设计。实际上，LTE系统规定了三类天线技术：MIMO、波束成形和分集方法。这些不同的天线技术是如何工作的呢？对提升信号鲁棒性、实现LTE系统能力来说，那种技术最关键呢？理解这些问题将对采用这些方法的测试系统有帮助。本文将给出答案。多输入、多输出(MIMO)空间分集天线配置专门针对3GPP长期演进技术(LTE)移动通信系统而设计。实际上，LTE系统规定了三类天线技术：MIMO、波束成形和分集方法。对提升信号鲁棒性、实现LTE系统能力来说，这三种技术都非常关键。理解这些不同天线技术是如何工作的，将对采用这些方法的测试系统有帮助。 图1对各种天线技术进行了简单描述。每种技术的名称显示出系统的发射器和接收器是如何接入无线信道的。具有单个发射器和单个接收器的单输入、单输出(SISO)方法是最基本的无线信道接入模式。 多输入、单输出(MISO)模式略复杂些，它采用两或多个发射天线和一个接收天线。在MISO系统(通常也被称为发射分集系统)，相同数据被送至两个发射天线，但数据经过了编码以使接收器能辨认出数据来自哪个发射器。发射分集使信号具有更强的衰减抵抗力，并且能低信噪比(SNR)条件下改进性能。该技术不直接增加数据速率，但它以更低功耗支持现有速率。可借助来自接收器对指示相位均衡和各天线功率的反馈来强化发射分集。 单输入、多输出(SIMO)方法(也常被称为接收分集技术)采用一个发射天线和两或多个接收天线。与发射分集方法一样，它也很适合工作在低SNR条件下，当采用两个接收器时，理论上可实现3dB 增益。因为只发射一个数据流，所以数据速率不变。 MIMO方法要求两或多个发射天线和两或多个接收天线。该模式并非MISO和SIMO的简单叠加，因为多个数据流在相同频率和时间被同时发射，所以充分利用了无线信道内不同路径的优势。MIMO系统内的接收器数必须不少于被发射的数据流数。请注意，不要混淆了被发射的数据流数与发射天线数。例如，在发射分集(MISO)的场合中，有两个发射天线，但只有一个发射流。 把SIMO叠加在MISO上不会得到MIMO系统，即使叠加后存在两个发射和接收天线。系统内，发射器数比拟被发射的数据流数多总是可能的，但反之不然。若N个数据流通过少于N个的发射天线发射，则无论有多少接收器，数据都不会被完全解扰。不借助空间分集的数据流交叠只会产生干扰。但如果N个数据流在空间上最少分发给N个天线，则在无线信道内的交*干扰和噪声足够低，以至不会造成数据丢失的情况下，N个接收器就可完全重构原始数据流。 对MIMO操作来说，出自每个天线的发射都必须具有唯一身份以便各接收器能确定它所接收到的都是哪些发射组合。身份识别一般是借助先导信号完成的，该信号对每一天线都采用正交模式。在这种情况下，对无线信道的空间分集使MIMO有可能增加数据速率。 MIMO的一个基本形态是为每个天线分配一个数据流(图2)。然后信道将两个发射进行混合，这样，就接收器来看，每个天线收到的是各个数据流的组合。解码接收到的信号需要技巧，其中接收器分析表征每个发射器的样式以确定它代表哪些组合。采用反向滤波器并累加接收到的数据流将重构原始数据。 MIMO的一个更先进形式包括特殊的预编码以把发射与信道的Eigen模式匹配起来。该优化将把每一待发数据流分送至不止一个发射天线。为使该技术高效工作，发射器必须把握信道条件且在某种场合，这些条件必须由用户设备(UE)实时反馈回送。这种优化使系统更复杂，但可提升性能。 MIMO系统的理论增益是如下因素的函数：发射和接收天线的数量、射频衍播条件、发射器适应变化条件的能力以及SNR。理想情况是：无线信道内的路径是不相关的，就像是独立、物理上由电缆连接的通路且在发射器和接收器间没有交*干扰。因这样的条件在现实空间几乎不存在，所以，在不指明环境条件的情况下，引用MIMO增益既没意义又不可能。理想条件下的MIMO增益更容易确定，对一个有两个同时数据流的2 2系统来说，双倍容量和数据速率都是可能的。 在高SNR、短视距条件下，MIMO技术性能最好。视距等同于信道交*干扰，视距越长则提升增益的可能性越小。因此，MIMO特别适合一般来说具有多路径但视距有限的室内环境。 虽然图1中的简单描述并没明确MIMO系统内是否采用多个发射器和接收器，但图3所示的几个样例细节或许有助于解释不同的MIMO设置。第一种情况是单用户MIMO(SU-MIMO)系统，它是MIMO的最通用形态且可被用于无线系统的上行或下行链路。SU-MIMO的基本目标是增加针对一个用户的数据速率。当然，它也相应增加了蜂窝的容量。图3显示的是22 SU-MIMO系统的下行链路形式，其中，一个用户设备配有两个数据流。样例中，数据流被编码成红和蓝色；且在本例中，被进一步以这样一种方式进行了预编码：每个流在每个天线上用不同功率和相位进行表述。数据流的颜色在发射天线处改变，意味着给数据流的混合发信令。发射的信号在信道内被进一步混合。预编码的目的是针对无线信道的特性而对发射进行优化，以便当接收到信号时，可更容易地将其分割回原始数据流。 第二个例子是22多用户MIMO(MU-MIMO)，它只用于无线系统的上行链路。(MU MIMO，如在WiMAX规范中描述的，被称为协同空间复用或协同MIMO；但LTE不采用该术语)。MU-MIMO不增加单一用户的数据速率，但的确会提供蜂窝容量增益，它相等或好于SU-MIMO所能提供的增益。在图3中，这两个数据流源自不同用户设备。两个发射器比单用户情况相隔更远，而缺少物理连接意味着没机会通过混合两个数据流来把编码优化至信道的Eigen模式。但，额外的空间隔离的确使基站更有机会更具体地说就是无线接入网络中的演进型节点B(eNB)元素把具有非关联路径的用户设备“撮合”在一起。这使得容量的可能增益最大化，这与天线*近会引发问题的预编码SU MIMO情况不同，特别是在小于1GHz频率下。MU MIMO具有额外的重要优点：用户设备不需要两个发射器的开支和功耗，但蜂窝仍得益于增加的容量。为使MU MIMO的增益最大化，当用户设备被安装在基站时，必须对时间和功率很好地组织。 图3中的第三种情况是合作MIMO(Co-MIMO)。别把该名称与前述WiMAX的协同MIMO混在一起。Co-MIMO在发射端牵涉两个独立实体。本例是下行链路情况，其中，两个eNB通过共享数据流“协同”对空间分离的天线进行预编码以实现最少与其中一个用户设备的优化通信。当该技术用于下行链路时，它有时被称为网络MIMO。当用户设备处在蜂窝边沿时，使用下行链路Co-MIMO具有最佳效能。在此，SNR会最差，但无线路径将不相关，从而有很大潜力提升性能。 Co-MIMO也可被用于无线系统的上行链路，但因用户设备间没有共享数据流的物理连接，所以实现起来从根本上说更困难。用户设备间没有物理连接的上行链路Co-MIMO“陷落”为不采用预编码的MU MIMO。上行链路Co-MIMO还被称为虚拟MIMO。Co-MIMO不是用于 LTE的3GPP Release 8的一部分，但正对其研究，从而有可能在Release 9或Release 10中成为可能的 LTE加强。 与MIMO不同(它在无线信道呈现出没有相关发射器路径特征时，得到最高吞吐量)，波束成形会尝试关联以使发射器的发射模式直接倾向于接收器。它是通过对经校准的相阵天线施加少量时间延迟实现的。波束成形的效能随天线数而异。当仅有两个天线时，增益会小有增长，但若采用四个天线，则可能显著提升增益。 理论上，改变其预编码矩阵，可把MIMO系统变成波束成形系统。但实际上，必须考虑天线设计，且事情也并非如此简单。可把天线设计成相关或非相关的；例如，通过改变极化方向。但在设计天线时，若已针对相关或非相关模式对其实施了优化，则在这两种模式间的切换会有问题。 因波束成形对应于用户设备的物理位置，所以天线相控所需的刷新速率要远比支持MIMO预编码所需的速率低。因此，波束成形的信令开销比MIMO的低。多天线技术的最高级形态也许是波束成形和MIMO的结合。在此模式，MIMO技术可被用于一系列天线，其中每个都包含波束成形矩阵。鉴于仅有两个天线的波束成形系统的增益有限，所以除非有许多天线，否则把波束成形和MIMO结合起来的好处就得不到充分发挥。 就LTE系统来说，业已描述的四个多天线技术中的三个发射分集(MISO)、接收分集(SIMO)和空间复用(MIMO)可被用于 LTE下行链路。开环发射分集是其中第一个也是最简单的。该技术在概念上与在3GPP UMTS Release 99中介绍的方法相同。 LTE没采用专用于UMTS的更复杂的闭环发射分集技术。 LTE代之以更先进的MIMO，它不是Release 99的一部分。 LTE支持两或四天线的发射分集配置。图4显示的是两个发射器的例子，其中，数据的单一流被指配给不同层并采用空频分组码(SFBC)技术进行编码。因该发射分集形态没有数据速率增益，所以代码字CW0和CW1一样。通过在不同天线上采用不同的副载频重复发射数据，借助频率分集，SFBC实现了鲁棒性。 第二种下行链路方法发射分集，是用户设备强制要求的。它是性能要求得以确认的基线接收器的能力。典型应用是把接收到数据流组合的比例最大化以改善恶劣条件下的SNR。在良好条件下，接收分集可提供的增益很小。 第三种下行链路方法是空间复用，或称MIMO，它也支持两或四个天线配置。假定一个两信道用户设备的接收器，该方法允许 22或42 MIMO。44 配置所需的四信道用户设备接收器业已被定义，但似乎难以在近期实现。最常用的配置应是22 SU-MIMO。在此情况，有效载荷数据将被分为CW0 和CW1两个编码字流，并按照图4中描述的步骤处理。 LTE采用数据流带预编码的闭环形式MIMO，所以对频分复用(FDD)版本的 LTE来说，发射器必须了解信道情况。信道信息由上行链路控制信道的用户设备提供。信道反馈采用编码书方法为预先确定的一组预编码矩阵提供索引。因信道一直变化，该信息必须在整个信道带宽的多个点以规则间隔提供，刷新速率可达每秒几百次。此时，确切细节仍待定；但，对信道条件估算得最准、然后能通知所用的最优编码的用户设备无疑将从信道获得最佳性能。虽然采用编码书进行预编码限制了与信道的最佳匹合，但它显著简化了用户设备实施信道估算的过程以及传递期望预编码所需的上行信令的工作量。 LTE的预编码矩阵支持MIMO和波束成形。22 SU-MIMO和44 SU-MIMO分别需要4和16个代码书条目。 除MIMO预编码外，还有一个称为循环延迟分集(CDD)的选项。该技术增加了针对天线的循环时间偏移以人工在接收到的信号上生成多路径并阻止由挨近的发射天线导致的信号抵消。通常，一般不期望产生多路径，但通过为一个原本平坦的信道创生多路径，eNB用户设备调度器可在那些具有有利衍播条件的资源块中选择性进行发射并针对每个用户设备实施循环延迟分集处理。 对LTE来说，基线用户设备配置有一