中心議題：

• 4G智能天線技術
• 4G移動通信MIMO技術

解決方案：

• 自適應陣列智能天線
• 發射端和接收端結合分集增益

由於第三代移動通信係統（3G）還存在一些不足，包括很難達到較高的通信速率，提供服務速率的動態範圍不大，不能滿足各種業務類型要求
，以及分配給3G係統的頻率資源已經趨於飽和等，於是人們提出了第四代移動通信係統（4G）的構想。4G的關鍵技術包括：
　　（1）調製和信號傳輸技術（OFDM">OFDM）；
　　（2）先進的信道編碼方式（Turbo碼和LDPC）

；
　　（3）多址接入方案（MC-CDMA和FH-OFCDMA）；
　　（4）軟件無線電技術；
　　（5）MIMO和智能天線技術；
　　（6）基於公共IP網的開放結構。
　　
研究表明

，在基於CDMA技術的3G中使用多天線技術能夠有效降低多址幹擾
，空時處理能夠極大增加CDMA係統容量。憑在提高頻譜利用率方麵的卓越表現，MIMO和智能天線成為4G發展中炙手可熱的課題。
　　
智能天線技術
　　
智能天線最初用於雷達
、聲納及軍事通信領域。使用智能天線可以在不顯著增加係統複雜程度的情況下滿足服務質量和擴充容量的需要。
　　
1.基本原理和結構
　　
智能天線利用數字信號處理技術，采用先進的波束轉換技術（switchedbeamtechnology）和自適應空間數字處理技術（adaptivespatialdigitalprocessingtechnology），判斷有用信號到達方向（DOA）tongguoxuanzeshidangdehebingquanzhi
，zaicifangxiangshangxingchengtianxianzhuboshu，tongshijiangdizengyipangbanhuolingxianduizhunganraoxinhaofangxiang。zaifasheshi，nengshiqiwangyonghudejieshouxinhaogonglvzuidahua
，tongshishizhaiboshuzhaoshefanweiwaidefeiqiwangyonghushoudaodeganraozuixiao，shenzhiweiling。
　　
智能天線引入空分多址（SDMA）方式。在相同時隙
、相(xiang)同(tong)頻(pin)率(lv)或(huo)相(xiang)同(tong)地(di)址(zhi)碼(ma)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，用(yong)戶(hu)仍(reng)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)信(xin)號(hao)空(kong)間(jian)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑(jing)的(de)不(bu)同(tong)而(er)區(qu)分(fen)。實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)，天(tian)線(xian)陣(zhen)多(duo)采(cai)用(yong)均(jun)勻(yun)線(xian)陣(zhen)或(huo)均(jun)勻(yun)圓(yuan)陣(zhen)。智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)由(you)天(tian)線(xian)陣(zhen)；波束成形成網絡；自適應算法控製三部分組成（見圖1）。


圖1典型的智能天線係統
　　
2.智能天線的分類
　　
智能天線主要分為波束轉換智能天線（switchedbeamantenna）和自適應陣列智能天線（adaptivearrayantenna）。
　　
（1）波束轉換智能天線波束轉換智能天線具有有限數目的、固定的、預定義的方向圖，它利用多個並行窄波束（15°～30°水平波束寬度）覆蓋整個用戶區，每個波束的指向是固定的
，波束寬度也隨天線元的數目而確定（見圖2）。波束轉換係統實現比較經濟

，與自適應天線相比結構簡單，無需迭代
，響應快、魯棒性好。但預先設計好的工作模式有限，窄波束的特性將極大地影響係統性能。
[page]

圖2波束轉換智能天線
　　
（2）自適應陣列智能天線
　　
自適應陣列智能天線實時地對用戶到達方向（DOA）進行估計，在此方向上形成主波束，同時使旁瓣或零陷對準幹擾方向。自適應天線陣列一般采用4～16天線陣元結構，陣元間距為1/2波長（若陣元間距過大會使接收信號彼此相關程度降低，太小則會在方向圖形成不必要的柵瓣
，可能放大噪聲或幹擾）。圖3對自適應陣列智能天線與波束轉換智能天線進行了比較。


圖3自適應陣列智能天線（a）與束轉換智能天線（b）的比較
　　
3.智能天線的自適應波束成形技術
　　
智能天線技術研究的核心是自適應算法
，可分為盲算法、半盲算法和非盲算法。
　　
非盲算法需借助參考信號，對接收到的預先知道的參考信號進行處理可以確定出信道響應，再按一定準則（如迫零準則）確定各加權值，或者直接根據某一準則自適應地調整權值（即算法模型的抽頭係數）。常用的準則有最小均方誤差MMSE(Minimummeansquareerror)
、最小均方LMS(Leastmeansquare)和遞歸最小二乘等；而自適應調整則采取最優化方法，最常見的是最陡梯度下降法。
　　
盲算法無須參考信號或導頻信號，它充分利用調製信號本身固有的、與具體承載信息比特無關的一些特征（如恒包絡、子空間、有限符號集、循環平穩等）來調整權值，以使輸出誤差盡量小。常見的算法有常數模算法CMA(Constantmodulearithmetic)、子空間算法、判決反饋算法等。
　　
非fei盲mang算suan法fa相xiang對dui盲mang算suan法fa而er言yan，通tong常chang誤wu差cha較jiao小xiao，收shou斂lian速su度du也ye較jiao快kuai
，但dan發fa送song參can考kao信xin號hao浪lang費fei了le一yi定ding的de係xi統tong帶dai寬kuan。為wei此ci，又you發fa展zhan了le半ban盲mang算suan法fa，即ji先xian用yong非fei盲mang算suan法fa確que定ding初chu始shi權quan值zhi，再zai用yong盲mang算suan法fa進jin行xing跟gen蹤zong和he調tiao整zheng。
　　[page]
波束賦形的目標是根據係統性能指標，形成對基帶信號的最佳組合與分配。軟件無線電係統采用數安波束形成DBF(Digitalbindform)。實現智能天線波束形成的方式有兩種：陣zhen元yuan空kong間jian處chu理li方fang式shi和he波bo束shu空kong間jian處chu理li方fang式shi。陣zhen元yuan空kong間jian處chu理li方fang式shi直zhi接jie對dui各ge陣zhen元yuan按an接jie收shou信xin號hao采cai樣yang並bing進jin行xing加jia權quan處chu理li後hou，形xing成cheng陣zhen列lie輸shu出chu，使shi天tian線xian方fang向xiang圖tu主zhu瓣ban對dui準zhun用yong戶hu信xin號hao到dao方fang向xiang
，天tian線xian陣zhen列lie各ge陣zhen元yuan均jun參can與yu自zi適shi應ying調tiao整zheng；波bo束shu空kong間jian處chu理li方fang式shi包bao含han兩liang級ji處chu理li過guo程cheng，第di一yi級ji對dui各ge陣zhen元yuan信xin號hao進jin行xing固gu定ding加jia權quan求qiu和he，形xing成cheng指zhi向xiang不bu同tong方fang向xiang的de波bo速su，第di二er級ji對dui一yi級ji輸shu出chu進jin行xing自zi適shi應ying加jia權quan調tiao整zheng並bing合he成cheng
，此ci方fang案an不bu是shi對dui全quan部bu陣zhen元yuan都dou從cong整zheng體ti最zui優you計ji算suan加jia權quan係xi數shu，而er是shi隻zhi對dui部bu分fen陣zhen元yuan作zuo自zi適shi應ying處chu理li，其qi特te點dian是shi計ji算suan量liang小xiao，收shou斂lian快kuai，並bing且qie有you良liang好hao的de波bo束shu保bao形xing性xing能neng。
　　
4.智能天線的優點及應用
　　
智能天線能夠獲得更大的天線覆蓋範圍
；有效減少多徑衰落的影響，提高通信質量，並能夠減少對其它用戶的幹擾；增加頻譜效率和信道容量；動態信道分配；實現移動台定位；提高通信安全性。
　　
目前TD-SCDMA（時分同步碼分多址）是世界上惟一采用智能天線的第三代移動通信係統
，國際上已經把智能天線技術作B3G移動通信發展的主要方向之一。
　　
MIMO技術
　　
移動通信環境中存在多個散射體

、反(fan)射(she)體(ti)
，在(zai)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)鏈(lian)路(lu)的(de)發(fa)射(she)與(yu)接(jie)收(shou)端(duan)存(cun)在(zai)多(duo)條(tiao)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑(jing)
，多(duo)徑(jing)傳(chuan)播(bo)對(dui)通(tong)信(xin)的(de)有(you)效(xiao)性(xing)與(yu)可(ke)靠(kao)性(xing)造(zao)成(cheng)了(le)嚴(yan)重(zhong)的(de)影(ying)響(xiang)。研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，可(ke)以(yi)利(li)用(yong)多(duo)徑(jing)引(yin)起(qi)的(de)接(jie)收(shou)信(xin)號(hao)的(de)某(mou)些(xie)空(kong)間(jian)特(te)性(xing)實(shi)現(xian)接(jie)收(shou)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)分(fen)離(li)。多(duo)輸(shu)入(ru)一(yi)多(duo)輸(shu)出(chu)（MIMO）技術在通信鏈路兩端均使用多個天線，發端將信源輸出的串行碼流轉成多路並行子碼流
，分別通過不同的發射天線陣元同頻
、同時發送，接收方則利用多徑引起的多個接收天線上信號的不相關性從混合信號中分離估計出原始子碼流（見圖4）這相當於頻帶資源重複利用，可以在原有的頻帶內實現高速率的信息傳輸，使頻譜利用率和鏈路可靠性極大的提高。MIMO係統提供分集增益（diversitygain）和複用增益（multiplexinggain）。


圖4MIMO無線傳輸係統
　　
1.分集增益
　　
MIMO係統中發射端和接收端結合
，得到一個大的分集階數（diversityorder）。假設發射天線MT，接收天線數MR，最大鏈路數為MT×MR；如果所有這些鏈路具有相互獨立的衰落，則得到MT×MR階分集。
　　
2.複用增益
　　
空分複用利用傳播環境中豐富的多徑分量
，多個數據通道共用一個頻率帶寬
，從而使信道容量線性（與天線數成正比）增加，而不需要額外帶寬或功率消耗。
　　
輸入數據流經過串並變換後形成MT路較低速率的數據流，並在同一時刻經過相同的頻帶從MT根gen發fa射she天tian線xian發fa射she出chu去qu。由you於yu多duo徑jing傳chuan播bo，每mei根gen接jie收shou天tian線xian所suo觀guan察cha到dao的de是shi所suo有you發fa射she信xin號hao的de疊die加jia
，而er每mei根gen發fa射she天tian線xian在zai接jie收shou端duan具ju有you不bu同tong的de空kong間jian信xin號hao，接jie端duan利li用yong這zhe些xie信xin號hao的de差cha異yi分fen離li出chu獨du立li的de數shu據ju流liu
，並bing將jiang它ta們men合he並bing恢hui複fu出chu原yuan始shi信xin號hao（見圖5）。為獲得複用增益所付出的代價是使用天線而帶來的係統硬件複雜度和成本的增加。常見的幾種線性和非線性接收機有迫零接收機，V-BLAST接收機
，最小均方誤差接收機和最大似然接收機等.

圖5空分複用係統
　　
3.MIMO與空時編碼
　　
與MIMO技(ji)術(shu)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)的(de)另(ling)一(yi)種(zhong)技(ji)術(shu)是(shi)空(kong)時(shi)碼(ma)，空(kong)時(shi)碼(ma)是(shi)適(shi)合(he)於(yu)多(duo)天(tian)線(xian)陣(zhen)信(xin)道(dao)的(de)一(yi)種(zhong)編(bian)碼(ma)方(fang)案(an)。它(ta)綜(zong)合(he)了(le)空(kong)間(jian)分(fen)集(ji)和(he)時(shi)間(jian)分(fen)集(ji)的(de)優(you)點(dian)
，同(tong)時(shi)提(ti)供(gong)分(fen)集(ji)增(zeng)益(yi)和(he)編(bian)碼(ma)增(zeng)益(yi)。現(xian)有(you)的(de)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)

，空(kong)時(shi)碼(ma)能(neng)夠(gou)獲(huo)得(de)遠(yuan)遠(yuan)高(gao)於(yu)傳(chuan)統(tong)單(dan)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)的(de)頻(pin)帶(dai)利(li)用(yong)率(lv)。按(an)照(zhao)空(kong)時(shi)碼(ma)適(shi)用(yong)信(xin)道(dao)環(huan)境(jing)的(de)不(bu)同(tong)，可(ke)以(yi)將(jiang)已(yi)有(you)的(de)空(kong)時(shi)編(bian)碼(ma)分(fen)成(cheng)兩(liang)大(da)類(lei)：一類要求接收端能夠準確地估計信道特性
，如分層空時碼
、網格空時碼和分組空時碼；另一類不要求接收端進行信道估計，如酉空時碼和差分空時碼。
　　
4.MIMO和OFDM">OFDM
　　
OFDM">OFDM技術是一種特殊的多載波傳輸方案，其多載波之間相互正交，可以高效利用頻譜資源
，同時OFDM">OFDM將總帶寬分割為若幹個窄帶子載波，可以有效抵抗頻率選擇性衰落。與MIMO相結合的MIMO-OFDM">OFDM係統既有很高的傳輸效率
，又通過分集達到很強的可靠性
，從而成為第四代移動通信係統的研究熱點。

傳(chuan)統(tong)的(de)智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)終(zhong)端(duan)隻(zhi)在(zai)發(fa)射(she)端(duan)或(huo)接(jie)收(shou)端(duan)配(pei)備(bei)多(duo)個(ge)天(tian)線(xian)元(yuan)，通(tong)常(chang)是(shi)在(zai)基(ji)站(zhan)，因(yin)為(wei)額(e)外(wai)的(de)開(kai)銷(xiao)和(he)空(kong)間(jian)與(yu)在(zai)移(yi)動(dong)台(tai)相(xiang)比(bi)更(geng)容(rong)易(yi)得(de)到(dao)滿(man)足(zu)。與(yu)智(zhi)能(neng)天(tian)線(xian)係(xi)統(tong)相(xiang)比(bi)
，MIMO係統在發射端和接收端都為多天線，其潛力遠遠超過了傳統的智能天線
，可以使無線鏈路的容量有驚人的提高。MIMO信道的可分離性依賴於豐富多徑的存在
，使信道具有空間選擇性。也就是說MIMO充分利用了多徑。與之相反，一些智能天線在視距（LOS）或近似視距的情況下性能更好，也就是說在通過減少多徑分量來獲得好的工作性能；lingyixiejiyufenjidezhinengtianxianjishukeyizaifeishijutiaojianxiabiaoxiandelianghaodexingneng，dantamenyeshizainulixiaochuduojingerbushiliyongduojing。duotianxianxitongpingjieqizaitigaopinpuxiaolvfangmiandezhuoyuebiaoxian
，zai4G中將發揮重要的作用。