自适应多天线技术

基金项目：国家科技重大专项(2009ZX03003)

    多天线技术，是指在发送端或接收端都采用多根天线的无线通信技术，是近期发展较快的热点研究技术之一。采用多天线技术可获得功率增益、空间分集增益、空间复用增益、阵列增益和干扰抑制增益[1]，从而可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统的覆盖范围、链路的稳定性和系统传输速率。多天线技术有不同的实现模式，如波束赋形[2]、循环延迟分集[3]，空间分集[4-6]、空间复用[7]，以及他们之间的结合。

1 多天线技术模式介绍
    每种多天线技术模式都各有其特点，下面将详细介绍他们的原理和特点。

    (1) 空间分集技术
    空间分集是在空间引入信号冗余以达到分集的目的。如图1中空间分集所示，发送端通过在两根天线的两个时刻发送正交的信息集合，从而获得分集增益。

    (2) 空间复用技术
    空间复用是在每根天线上的同一时频资源上，发送不同信息，以达到在不增加频谱资源的情况下成倍提高频谱效率的目的，如图1中空间复用所示。通常人们将空间分集和空间复用技术称为多输入多输出(MIMO)技术。

    (3) 波束赋形技术
    波束赋形(BF)是基于自适应天线原理，利用天线阵列通过先进的信号处理算法分别对各物理天线进行加权处理的一种技术。如图2所示，发射端对数据流S1进行加权，并发送出去。在接收端看来，整个天线阵列相当于一根虚拟天线。通过加权处理后，天线阵列形成一个窄发射波束对准目标接收端，并在干扰接收端方向形成零点以减小干扰。

    (4) MIMO+BF技术
    由于BF技术在同一时刻只发射一个数据流，没有复用增益。尤其是当信道质量较好时，使用BF带来的传输速率提升并不明显。因此，为了进一步提高系统传输速率，可将BF技术与MIMO结合起来[8-9]。空间分集与波束赋形的结合，称为空间分集波束赋形(SD＋BF)；而空间复用与波束赋形的结合，则称为复用波束赋形(SM＋BF)。其中的一种实现方案如图3所示。发送端的4根物理天线被分成2个子阵列，在每个子阵列上利用波束赋形技术，形成一根虚拟天线或者波束，2个波束间构成空间分集或者空间复用。

    (5) 循环延迟分集技术
    循环延迟分集(CDD)是正交频分复用(OFDM)[10]技术中常用的一种多天线发送分集方案，他在各个物理天线上发送相同的频域数据，并对时域的OFDM符号进行不同的循环延迟，以此来获得频域分集增益。其发送端如图4所示，时域数据流S1在各物理天线上分别进行循环延迟δi后再发送出去。其中，δi为循环延迟量，i=1,2,3,4，δ1一般为0。经过CDD处理后，整个天线阵列在接收端看来，也相当于一根虚拟天线。

    (6) CDD +MIMO 技术
    由于CDD技术在同一时刻只发射一个数据流，当信道条件比较好时，可以跟MIMO技术相结合来提升传输速率[11-12]。空间分集与循环延迟分集的结合，称为空间分集循环延迟分集(SD＋CDD)；而空间复用与循环延迟分集的结合，称为空间复用循环延迟分集(SM＋CDD)。其中的一种实现方案如图5所示，发送端的4根物理天线被分成2个子阵列，每个子阵列做CDD处理，形成一根虚拟天线。

2 多天线技术比较
    (1) 数据发送格式
    每种多天线技术模式在每根物理天线上发送的数据是不一样的。以IEEE 802.16e[4] 4天线为例，在两个相邻的符号内，并在同一个数据子载波上，每根物理天线发送的频域数据流如表1所示。空间复用使用的是BLAST编码[7]；空间分集使用的是Alamouti编码，他在两个正交频分多址(OFDMA)符号间引入冗余。第i 根发送天线上第k个数据子载波对应的BF权值为wi(k), i =1,2,3,4。另外，对时域数据进行的循环延迟，等价于频域数据乘以一个相位旋转

    其中，系数0.5是功率归一化因子，NF是IFFT的点数，k是子载波索引，δ1是CDD的循环延迟量，i =1,2,3,4。数据流为S1,S2,S3,S4……。

    (2) 特点
    一般情况下，BF、SD＋BF、SM＋BF需要根据信道状态信息动态调整权值，属于闭环技术，需要对导频进行波束赋形，所以必须支持专用导频；而CDD、SD＋CDD、SM＋CDD可以在发送端并不知晓信道状态信息的情况下完成，属于开环技术。SM＋BF、SM＋CDD在不同的虚拟天线上可以发送不同的数据流，在信道条件比较好的情况下，能提升系统的传输能力，满足用户高速率传输数据的需求；而BF、SD＋BF、CDD、SD＋CDD主要依靠在空间维引入冗余以达到分集增益，进而增加链路的稳定性和覆盖范围。另外，SD＋BF、SD＋CDD 每个虚拟天线可以发送一个数据流，并在时域或频域引入冗余以获得空间分集增益，平均1个时刻只发1个数据流；BF、CDD每个时刻只有1个数据流，更适合信道相关性高的场景，实现简单，对用户透明，且不要求支持MIMO技术。在所有这些多天线技术模式中，比较常见的天线配置是发送端共有4根或者8根天线，而接收端只有1～2根天线。以上这些特点的总结如表2中所示。

    (3) 影响因素
    CDD、SD＋CDD、SM＋CDD靠人为引入信道多径时延来获得频域分集增益，他们可以在未知信道状态信息的情况下完成；而BF、SD＋BF、SM＋BF则需要估算波束赋形的权值，并要求用户反馈信道状态信息，或利用信道的互易性特点，因此其性能会在很大程度上受权值估计的准确性和及时性影响。表3总结适合各种多天线技术模式的应用场景[13]。

3 自适应模式切换
    每种多天线技术模式都有其特点和应用场景。实际通信时，由于用户的物理位置、信道环境、移动速度、业务类型等存在着很大的差异，单独使用哪种技术都不能最佳地发挥系统的性能。无线通信系统需要在不同的模式间自适应地切换，以适应信道环境等因素的改变，从而最大限度地提升系统的性能，满足用户高质量的通信要求[14]。

    实际应用中，实现各种多天线技术模式的自适应切换是一个充满挑战的工作。首先，影响多天线技术模式性能的因素有很多[15]。所以算法设计时，需要对这些影响因素进行深入分析和研究，并根据情况设计不同的算法以满足系统配置、信道条件、业务类型等多样性要求。

    其次，模式切换的类型很多。我们在对多天线技术的性质进行深入分析和大量仿真的基础上，将切换类型分成3类：BF相关技术(BF、SD＋BF、SM＋BF)之间的相互切换；CDD相关技术(CDD、SD＋CDD、SM＋CDD)之间的相互切换；BF相关技术与CDD相关技术之间的切换，如图6所示。

    根据接收端的移动速度或者相邻两个权值的相关性，选择使用BF相关技术或者CDD相关技术。如果选择了BF相关技术，那么需要计算SM＋BF、SD＋BF、BF模式下的频谱效率，并选择频谱效率大的模式为最佳的数据发送模式；如果选择了CDD相关技术，则需要计算SM＋CDD、SD＋CDD、CDD频谱效率，并选择频谱效率大的模式为最佳的数据发送模式。

4 结束语
    文章介绍了各种多天线技术模式的概念，分析比较了各种多天线技术模式的性能、影响因素和应用场景。最后介绍了多天线技术模式切换的算法。

    中兴通讯对多天线技术的研究进行了大量的投入，并且取得了显著的成果，是最早掌握该技术的通信设备商之一。不仅实现了各种多天线技术模式，还对影响多天线技术的因素进行了深入的分析、大量仿真和实际系统的验证。可以根据场景或者信道环境灵活地选择多天线技术模式，以最大限度地提高通信系统的性能，从而能够满足客户的高质量通信要求。

5 参考文献
[1] Combination of MIMO and Beamforming Technology for WIMAX[EB/OL]. http://wwwen.zte.com.cn/en/solutions/wireless/wimax/200912/t20091218_178788.html.
[2] KOBAYASHI M, CAIRE G, GESBERT D. Transmit Diversity Versus Opportunistic Beamforming in Data Packet Mobile Downlink Transmission[J]. IEEE Transactions on Communications, 2007,55(1): 151-157.
[3] SADEQUE A, SAQUIB M. Delay Diversity for Correlated MIMO Channel[C]// Proceedings of the 2009 International Waveform Diversity and Design Conference（WD&D'09）,Feb 8-13, 2009, Kissimmee, FL,USA. Piscatawaw,NJ,USA:IEEE,2009:302-306. 
[4] IEEE Std 802.16e?- Rev2-D8. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks, Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2008.
[5] ZHANG Lizhong,TSE D N C. Diversity and Multiplexing: A Fundamental Tradeoff in Multiple Antenna Channels[J]. IEEE Transactions on Information Theory,2003,49(5):1073-1096.
[6] ALAMOUTI S M. A Simple Transmit Diversity Technique for Wireless Communications[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1998, 16(8): 1451-1458.
[7] GOLDEN G D,FOSCHINI C J,VALENZUELA R A,et al. Detection Algorithm and Initial Laboratory Results Using V-BLAST Space-Time Communication Architecture[J]. Electronics Letters,1999, 35(1): 14 - 16.
[8] MENG Weixiao, GU Lei, LI Cheng. The Combined Beamforming and Space-Time Block Coding Technique for Downlink Transmission[C]// Proceedings of the 2005 International Conference on Wireless Networks, Communications and Mobile Computing (WirelessCom’05):Vol 1, Jun 13 - 16, 2005 Maui, HI, USA. Piscatawaw, NJ,USA:IEEE, 2005:481-486.
[9] KIM I, LEE K, CHUN J. A MIMO Antenna Structure That Combines Transmit Beamforming and Spatial Multiplexing[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications,2007,6(3): 775-779.
[10] 佟学俭，罗涛.OFDM移动通信技术原理与应用[J].北京:人民邮电出版社,2003.
[11] YUEN C, WU Y, SUN S. Four Transmit Diversity Schemes for Coded OFDM Systems with Four Transmit Antennas[J]. Journal of Communications, 2008,3(4): 1-7.
[12] RAHMAN M I, DAS S S, DE CARVALHO E, et al. Spatial Multiplexing in OFDM Systems with Cyclic Delay Diversity[C]// Proceedings of the 65rd Vehicular Technology Conference (VTC-Spring’07), Apr 22-25,2007, Dublin,Iseland. Piscataway,NJ,USA:IEEE,2007:1491-1495.
[13] 侯延昭, 陶小峰. 面向绿色无线通信的基站体系结构 [J]. 中兴通讯技术, 2010,16(6): 16-19.
[14] 张武雄, 胡宏林, 杨. 基于协同覆盖的绿色无线网络技术 [J]. 中兴通讯技术, 2010,16(6): 04-07. 
[15] 高培, 陈肖虎, 王军. ZP-CI/OFDM：一种高功率效率的无线传输技术 [J]. 中兴通讯技术, 2010,16(6): 20-23.

收稿日期：2010-11-25

[摘要] 多天线技术有多种实现模式，不同的实现模式有不同的特点和应用场景。文章首先介绍了波束赋形(BF)、循环延迟分集(CDD)、空间分集(SD)、空间复用(SM)等各种多天线技术实现模式的原理。进而分析了各种多天线模式的技术特征以及他们适合的应用场景。基于这些分析，文章提出了一种多天线模式自适应切换算法，他能根据应用场景或者无线信道特征，自适应地选择最优的多天线模式来发送数据，从而进一步发挥多天线技术的优势。

[关键词] 波束赋形；循环延迟分集；空间分集；空间复用；自适应模式切换

[Abstract] Multi-antenna technology can be implemented in several modes，and different modes have different characteristics and are used in different scenarios. This paper introduces beamforming(BF), Cyclic Delay Diversity(CDD), Space Diversity(SD), Spatial Multiplexing(SM), and other multimode antenna technologies. It also analyses various technical features and their application scenarios. A self-adaptive multi-antenna switching algorithm is proposed that is capable of choosing a suitable mode for sending data according to the scenario or wireless channel conditions. This switching algorithm improves multi-antenna technology and enhances the quality of wireless network communications.

[Keywords] BF; CDD; SD; SM; adaptive mode switch