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1、第17卷第4期山东科学Vol17No42004年12月SHANDONGSCIENCEDec2004文章编号:10024026(2004)04002904*综述*无线通信系统的多天线技术121陈长英,杨秀红,杜龙安(1.山东省科学院情报研究所,山东济南250014;2.济南第五十八中学,山东济南250011)摘要:本文就多天线技术在无线通信方面的应用进行阐述。主要说明这项技术在无线通信领域的发展情况,并对多入多出和智能天线两种多天线技术的主要
2、不同点进行了对比,最后对其未来在无线通信领域的发展方向及需要解决的关键问题阐明了自己的看法。关键词:多天线技术;无线通信;软件无线电中图分类号:TN828.6文献标识码:A1无线通信系统多天线技术发展回顾多天线又叫陈列天线。它由在空间按照一定的几何形状排列的多个阵元组成。每个阵元都可以独立地接收和发射信号。多天线技术主要分为多入多出(MIMO)技术和智能天线技术两大类。多入多出技术由来已久,早在1908年马可尼就提出用它来抵抗信号的衰落。然而对此项技术作出重大推动作用的工作是由AT&TBell实
3、验室的学者在20世纪90年代完成的。1995年Teladar给出了衰落情况[1]下的MIMO容量;1996年Foschini给出了一种多入多出处理算法对角-贝尔实验室分层空时(D[2][3]BLAST)算法;1998年Tarokh等讨论了用于多入多出的空时码;1998年Wolniansky等人采用垂直-贝尔实验室分层空时(VBLAST)算法建立了一个MIMO实验系统,在室内试验中达到了20bit/s/Hz以上的频谱利用率,这一频谱利用率在普通系统中极难实现。这些工作受到各国学者的极大注意,并使得多
4、入多出技术的研究工作得到了迅速发展。而智能天线技术开始于20世纪60年代,最初主要是为雷达系统设计的,目的是提高雷达的性能和电子对抗的能力,如相控阵雷达。到了20世纪90年代初,随着微计算机技术和数字信号处理技术的发展,使得这项技术在雷达系统中的应用得到了很大发展。但是,在无线通信系统中的应用开始于20世纪90年代中期。1997年,北京信威通信技术公司开发成功使用智能天线技术的SCDMA无线用户环路系统;美国Redcom公司则在时分多址的PHS系统中实现了智能天线。以上是最先商用化的智能系统,同时,在国内外
5、[4~7]众多大学和研究机构内也广泛研究了多种智能天线的波束成形算法和实现方案。在1998年电信科学技术研究院代表我国电信主管部门向国际电联提交的TDSCDMARTT建议并与2000年5月已被ITU批准为第三代移动通信国际标准之一的CDMATDD技术(低码片速率选项),就是第一次提出以智能天线为收稿日期:20040930作者简介:陈长英(1970-),男,博士,副研,主要从事无线通信和信号处理方面的研究。30山东科学2004年核心技术的CDMA通信系统,在国内外获得了广泛的认可和
6、支持。2两种多天线技术的主要区别上面提到的两种天线技术虽然都是由多个阵元组成的天线阵列构成,但是它们的空间排列方式、后续信号处理的结构和方法以及工作原理都有很大的不同。2.1空间排列方式多入多出(MIMO)技术的天线阵元之间的距离要尽可能的大,通常取几个波长的间距。使得到达各个阵元的信号能够相互独立,以形成空间分集的效果。而智能天线技术要求天线阵元之间的距离要小一些,通常小于一个波长的间距,使得到达各个阵元的信号具有一定的相关性。2.2工作原理多入多出(MIMO)技术要求空间传播的信号在发射端和接收端
7、都要使用这种技术。它是在不增加传输带宽的情况下,将要发射的信号通过不同的空间路径尽可能快的发送出去,进而提高系统的频谱利用率。理论研究已经证明,此技术能在不增加带宽的情况下成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率,是新一代无线[18]通信系统必须采用的关键技术。这项技术突破了传统的理论认为多径信号是系统的干扰必须加以抑制的局限,使得多径信号变废为宝,是对通信理论的重大贡献。具体原理见图1。实质上,这种技术是一种空分复用技术。而智能天线技术不要求在发射端和接收端一定同时使用这种技术。各个天线阵元同时接收和发射
8、信号,但是各个阵元的接收信号的波束和发射信号的波束都需要加以合并,以形成一个统一的波束指向,与传统意义上的天线不同的是,这种对信号的增益不是在天线形成的,而是在基带通过数字信号处理技术形成的。而且主波束和波束旁瓣的指向都是根据需要可调的,通过适当的基带信号处理算法使得在基带形成的波束的主瓣指向所期望的用户的方向,而旁瓣指向其他不期望的用户的方向,从而达到使有用信号得到增强,其他干扰信号得到抑制的目的。具体原理见图
