多天線技術

多天線技術在TD-LTE系統得到了充分的套用，不僅收發的天線數有明顯的增加，而且MIMO的傳輸模式也更加豐富。在下行鏈路，多天線傳送方式包括傳送分集、空間復用、多用戶MIMO和波束賦形等傳輸模式，在上行鏈路，多個用戶組成的虛擬MIMO也進一步提高了上行的系統容量。

基本介紹

• 中文名：多天線技術
• 套用學科：通信

傳送分集

技術背景

在無線移動通信系統中，分集技術通常用於對抗衰落、提高鏈路可靠性。分集技術需要接收端接收到多個重複的發射信號，這些發射信號攜帶同樣的信息，其衰落在統計上有較低的相關性。分集的基本思想是，如果能夠傳輸多個獨立衰落的信號，從統計意義來說，合成信號的衰落比每一路信號衰落要降低很多。這是因為在獨立衰落的假設下，當一些信號發生深衰落時，可能另一些信號的衰落較輕，各路信號同時發生深衰落的機率是很低的，從而合成信號發生深衰落的機率也被大大降低。從以上描述可以看出，要獲得分集增益，多個獨立衰落信號產生和多個獨立信號的合成是關鍵，一個合適的產生和合成方法將大大減輕合成信號的衰落。

現代通信系統中，基站一般會裝置多根天線，天線間距較大時，天線間的衰落相關性是較低的，因此恰當地設計傳送方式可以獲得空間發射分集。空間發射分集通過在發射端對所要發射的信號進行預處理，以引入接收端可以利用的分集，在接收端通過檢測算法獲得該分集。典型的例子如延遲發射分集，為了改善發射分集的性能，可以將編碼與發射分集結合。為多天線傳輸設計的編碼叫做空時（頻）編碼，該方案通過編碼，在空間和時間（頻率）域內引入冗餘。由於對編碼和發射分集進行了聯合最佳化設計，空時編碼在不犧牲頻寬的情況下，可以同時獲得發射分集與編碼增益，空時編碼還可以與多天線接收一起來對抗多徑衰落，提高信道容量。下面將簡單介紹發射分集的實現方法。

1．延遲發射分集

文獻[1，2，3]中提出了最早的發射分集技術，即延遲發射分集。延遲發射分集系統中的傳送端使用多個天線進行傳輸，人為地為不同的天線上發射的信號引入不同延遲，使各個延遲路徑的信號在統計意義上相互獨立。該方案將空間分集轉化為頻率分集，利用頻率分集增益，降低系統的差錯機率。延遲發射分集系統的接收機結構與單天線接收機完全一致，不需要額外的處理模組。但是為了避免延遲發射分集造成的碼間干擾，接收機端必須採用能夠抑制碼間干擾的均衡算法。延遲發射分集的原理如圖3-15所示，信號經過編碼調製後，引入不同的時延，分別在不同的天線上發射。

2．循環延遲發射分集

延遲發射分集會引入碼間干擾，接收端需採用碼間干擾抑制的均衡算法，增加了接收端的複雜度。為了避免上述問題，文獻[7，8]中提出了循環延遲發射分集技術。在循環延遲發射分集系統中，各個天線支路的信號經過循環移位後並行傳送。循環延遲發射分集適用於分塊傳輸的系統，如OFDM和DFT-s-OFDM等。由於各天線支路的信號間不存在真正的延遲，因而不會產生碼間干擾的問題，循環偏移量也不會受到循環前綴長度的限制。對於接收端而言，循環移位僅相當於等效信道的變化，因此不增加接收機的複雜度。OFDM系統中的循環延遲分集的原理如圖3-16所示。類似於延遲分集，循環延遲分集將空間分集轉化為頻率分集。

圖3-15 延遲發射分集原理框圖

圖3-16 循環延遲分集原理示意框圖

3．切換髮射分集

切換髮射分集是指按照預定模式進行發射天線的切換，包括時間切換髮射（TSTD）分集和頻率切換髮射（FSTD）分集。時間切換髮射分集中，發射機交替地（或者由偽隨機碼控制）選擇傳送天線中的一組進行傳送。

時間切換髮射分集方案中，不同的天線支路在不同的時間段發射。時間切換髮射分集的時間切換髮送過程削弱了同一個碼塊內符號之間的時間相關性（或者說增加了等效信道的時間選擇性），這樣可以通過糾錯編碼獲得分集增益。

頻率切換髮射分集方式中，不同的天線支路使用不同的子載波集合進行傳送，減小了子載波之間的相關性，使等效信道產生了頻率選擇性，因而同樣可以利用糾錯編碼提高差錯機率性能。

4．空時（頻）編碼

Alamouti於1998年提出了兩傳送天線的空時編碼方案。待傳送信息比特經過星座映射之後以兩個符號為單位進入空時編碼器。在第一個時刻，傳送天線1傳輸符號c₁，而傳送天線2傳輸符號c₂。下一時刻，傳送天線1與傳送天線2分別傳輸符號與。其中()*表示複數的共軛。兩天線的STBC發射機結構如圖3-17所示。

圖3-17 兩天線的STBC發射機

SFBC的碼組結構與STBC完全一致，不同之處在於SFBC針對空間（天線之間）以及頻率（子載波）二維進行編碼。例如，對於對於兩傳送天線的SFBC系統，假設輸入SFBC編碼器的符號流為c₁，c₂，…，則天線1與天線2的第1子載波上分別傳輸c₁與c₂，而天線1與天線2的第2子載波上分別傳輸 與 。

兩發射天線的STBC和SFBC的輸入的符號速率和每根天線上輸出的符號速率相同，也就是說速率為1。對於天線連線埠數目大於2的系統，不存在速率為1的正交空時編碼。如果要保留正交的特性，速率就需要降到1以下。

LTE發射分集方案

LTE標準中採用SFBC作為兩天線連線埠的發射分集方案，4天線連線埠的發射分集方案為SFBC和FSTD的組合方案。SFBC+FSTD方案將待傳輸的數據符號以4個為一組進行編碼操作，記為c₁，c₂，,c₃，c₄這4，個符號按照表3-7所示的關係映射到子載波0、1、2、3和天線連線埠0、1、2、3上。

觀察表3-7可以發現，在載波0和載波1上只有天線連線埠0和天線連線埠2傳輸數據，連線埠1和連線埠3不傳輸數據，連線埠0和連線埠2之間構成了一個SFBC編碼，解碼方法與2天線連線埠的SFBC相同；類似的，載波2和載波3上，只有天線連線埠1和天線連線埠3傳輸數據，連線埠0和連線埠2不傳輸數據，連線埠1和連線埠3之間構成了一個SFBC編碼，解碼方法與2天線連線埠的SFBC相同。在不同的載波（組）上進行天線（組）的切換，即SFBC+FSTD。

表3-7 4天線連線埠的SFBC+FSTD編碼

	天線連線埠0	天線連線埠1	天線連線埠2	天線連線埠3
子載波0	c1	0		0
子載波1	c2	0		0
子載波2	0	c3	0
子載波3	0	c4	0

上行虛擬MIMO

技術背景

虛擬MIMO技術通常用在上行傳輸中，主要原因是終端的天線數少於基站的天線數，為了更加充分地利用上行信道的信道容量，在TD-LTE R8版本中引入了虛擬MIMO傳輸方式。

傳統的MIMO傳輸對於傳送端來說是可控的，即可以選擇傳送的天線數和流數，但是在虛擬MIMO中，終端只是單流單天線傳輸，並沒有意識到其他傳送終端的存在，但從接收端的角度看，是一個多發多收模式，由多個傳送終端和基站組成一個虛擬多發多收的MIMO系統。在圖3-27中，每個終端一個傳送天線，兩個終端和基站兩個接收天線組成2×2的虛擬MIMO鏈路，此時兩個終端可以在相同的時頻資源傳送上行數據，基站由於配有兩根接收天線，因此可以檢測出兩個不同的數據流。虛擬MIMO的本質是利用了來自於不同終端的多個天線提高了空間的自由度，充分利用了潛在的信道容量。

上行虛擬MIMO技術

TD-LTE R8中採用了上行虛擬MIMO技術，每個終端只有單個傳送通道，多個終端可以組成虛擬的上行MU-MIMO傳輸。由於上行虛擬MIMO是多用戶MIMO傳輸方式，每個終端的導頻信號需要採用不同的正交導頻序列以利於估計上行信道信息。對於單個終端而言，並不需要知道其他終端是否採用虛擬MIMO方式，只要根據下行控制信令的指示，在所分配的時頻資源里傳送導頻和數據信號，在基站側，由於知道所有終端的資源分配和導頻信號序列，因此可以檢測出多個終端傳送的信號信息。

圖3-27 上行虛擬MIMO示意圖

上行虛擬MIMO技術並不會增加終端傳送的複雜度，但是在基站端，需要完成用戶的選擇配對和多用戶的檢測。在套用虛擬MIMO技術時，首先需要考慮的因素是儘可能使得配對用戶之間的干擾小一些，表現在信道上是相互正交，同時兩個用戶的信噪比應該相當，便於獲得更好的空間復用增益。