CN102594427A

CN102594427A - 一种基于双极化智能天线与mimo技术的抗干扰方法

Info

Publication number: CN102594427A
Application number: CN2012100535074A
Authority: CN
Inventors: 何宏; 武聪聪
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-03-03
Filing date: 2012-03-03
Publication date: 2012-07-18

Abstract

基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法。随着3G业务的扩展，系统容量的压力越来越大，信号在空间传播时收到的干扰因素也越来越严重，急需要一种可以继承智能天线的天线增益的优点，又可以提高系统容量，适应3G业务的高速运行，智能天线融合MIMO技术的方案应运而生。两者的结合,可以降低干扰,从而提高系统的容量,获得高频谱利用率,并使通信系统的性能可以得到保证。

Description

一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法。

背景技术

TD-SCDMA (时分同步的码分多址，Time Division-Synchronous Code Division MultipleAccess)是我国首个拥有自主知识产权的第三代移动通信技术标准。它的提出对于我国通信产业的自主创新和产业发展具有极其重大的意义。TD-SCDMA系统采用时分双工(TDD)模式，接收和传送是在同一频率的不同时隙，用不同时隙来分离接收和传输信道。

TD-SCDMA是基于智能天线技术而设计的。随着3G业务的扩展，系统容量的压力越来越大，信号在空间传播时收到的干扰因素也越来越严重，急需要一种可以继承智能天线的天线增益的优点，又可以提高系统容量，适应3G业务的高速运行，智能天线融合MIMO技术的方案应运而生。

智能天线以动态跟踪期望用户的赋形波束收发信号，极大降低系统干扰。将智能天线与MIMO技术相结合，系统能同时获得空间分集和空间复用增益。这种新的天馈系统不但能提供智能天线所带来覆盖增益还能通过MIMO技术获得M(M为发端或收端的最小天线数)倍的容量增益。在现有智能天线技术基础上，阵元间距λ(波长)/2，彼此之间存在很强的相关性。

实现空间复用增益的算法主要有贝尔实验室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的译码性能，但是复杂度比较大，对于实时性要求较高的无线通信不能满足要求。ZF算法简单容易实现，但是对信道的信噪比要求较高。性能和复杂度最优的就是BLAST算法。该算法实际上是使用ZF算法加上干扰删除技术得出的。目前MIMO技术领域另一个研究热点就是空时编码。常见的空时码有空时块码、空时格码。空时码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。

此技术可抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善BER(Bit Error Rate)性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换、扩大小区覆盖范围、灵活的小区管理、延长移动台电池寿命、以及维护和运营成本较低。

发明内容

本发明目的是克服3G数据业务造成的系统容量过小问题，提供一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法。

本发明提供的基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法，是在智能天线基础上结合MIMO技术和天线选择技术实现的，具体步骤如下：

第1、基于双极化智能天线技术抑制干扰

智能天线的组成：包括天线阵列、模数转换、数字波束形成网络和自适应信号处理器四部分，天线阵列部分采用8个阵元的均匀直线阵，2阵元间距为λ/2；假设阵列天线所接收到的信号可以表示为：

x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，...，x_M(n)]^H

对接收加权系数为：

w＝[w₁，w₂，...w_M]^H

波束赋形器的输出可以写为：

y(n)＝w^H(n)x(n)

赋形器的误差，即输出信号与期望信号的差值为：

e(n)＝s(n)-y(n)；

其中：H代表共轭转置，M代表天线阵元数；

第2、基于双极化智能天线与MIMO技术的结合

智能天线波束跟踪在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化，充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰；

利用MIMO信道成倍地提高无线信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高；利用MIMO技术可以提高信道的容量，同时也可以提高信道的可靠性，降低误码率；前者是利用MIMO信道提供的空间复用增益，后者是利用MIMO信道提供的空间分集增益；

MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率；这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理；

第3、基于双极化智能天线结合技术的新天馈系统

双极化智能天线是在常规单极化直线智能天线的基础上，用一组双极化辐射单元代替原有单极化辐射单元，并且阵列数量减少为原来的一半，以达到在保持端口总数不变的前提下，减小天线宽度的目的。

双极化智能天线在工程上通常采用±45度辐射单元的排列方式，如图1所示。通过这种方式组成的双极化N×2天线线阵，其中N为同极化辐射单元数目，根据目前理论研究、仿真和测试表明，优先选择N＝4。

双极化智能天线由两组具有相互正交极化方向的的辐射单元组成，每组辐射单元应满足相同的阵列特征。在理想环境中(例如微波暗室、室外极空旷场地、卫星传输无线环境等)，对于接收和发送天线都是单极化的情况，只有当来波极化方向与接收天线极化方向一致时，接收的能量才能达到最大；当来波极化方向与接收天线极化方向不一致时，在接受过程中会产生极化损失；当来波极化方向与接收天线极化方向正交时，接收天线就完全接收不到来波的能量或接收到的能量极低(取决于天线的极化鉴别率)。

然而，电磁波在无线信道传播过程中，由于受到地表及障碍物的反射、折射、损耗，会产生极化的偏转。在无线环境比较复杂的情况下，发射天线发射的垂直极化波，在接收端有可能偏转为水平极化波，如果接收天线仍为单一的垂直极化方式，就有可能接收不到发射天线的信号或接收信号微弱。

由于双极化智能天线采取±45度两种极化方式，因此能够更有效地应对因环境复杂引起的极化偏转等不利因素。同时，由于不同极化方向信道之间的相关性较弱，双极化智能天线能够产生极化分集的效果。

第4、MIMO技术领域中空时编码

MIMO系统可以显著提高系统容量和无线链路的通信质量，但是这种性能的提高得益于收发端采用的多天线装置，它要求为每个收发天线配备相应的射频链路(包括低噪声放大器、A/D转换器、D/A转换器等)。当基站用户很多时，系统硬件成本大幅度的增加，且给系统配置和维护带来困难。于是人们提出采用选择发送/接收天线的方式，用相对较少的收发射频链路支持较多的天线，从而使MIMO系统不再受射频成本的制约。

通过天线选择，发送和接收的算法复杂度降低。随着天线数目的增加，MIMO编码和译码的算法复杂度显著增加，采用天线选择后，可以降低发送和接收的算法复杂度。经天线选择后通信系统的性能可以得到保证。

第5、智能天线空间分组拉远和双极化智能天线分组复用

天线拉远方案使用阵列中相距最远的两个阵元进行信号的发送。对线性阵列而言，就是阵元两端阵元间的距离，它决定了阵列所能取得的最大增益。此处在BS端，将智能天线的几个阵元中相差最远的两个阵元做为MIMO的2根天线；在MS端，采用2根天线构成广义的MIMO系统。即MIMO空间复用方案，只不过BS端的两根天线距离较远，实际发送信号的两天线之间的空间相关性较弱，从而会达到更好的空间复用效果

智能天线空间分组复用，就是在基站端采用智能天线，并将基站端智能天线的M个阵元分成n组，每组内阵元间保持λ/2的间距，同时分组之间可以拉开一定的距离，通常是几个波长，以弱化相关性，此时把每个分组可以近似看成MIMO系统的一根天线，与MS端的天线构成MIMO系统。从而保持了部分智能天线的天线增益，又带来MIMO系统的复用增益。

双极化智能极化分组复用，就是在基站端采用智能天线，天线阵元按照不同的极化方式分成两组，比如水平和垂直极化，正负45度极化等等，需要满足的条件就是极化方式是彼此正交的，这样每组阵元可看作MIMO系统的一根天线；由于在基站端采用了正交极化天线，在MS端，为了保证接收的可靠性，同样需要采用正交极化的两根天线，从而形成广义的2*2MIMO系统。采用极化分组复用这种方案，天线整体的体积会较空间分组复用时有所减小，如图2所示。

本发明的优点和积极效果：

本发明提供的一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法是在双极化智能天线和天线选择结合MIMO技术实现的，因此本发明具有如下优点：

(1)双极化智能天线特指采用双极化辐射单元，组成定向或全向阵列，可以在360度(全向双极化智能天线)或特定方向内(定向双极化智能天线)进行波束扫描的天线阵列；

(2)天线选择使MIMO系统硬件结构得以简化；通过天线选择，发送和接收的算法复杂度降低；经天线选择后通信系统的性能可以得到保证。

(3)将智能天线与MIMO技术相结合，系统能同时获得空间分集和空间复用增益；

(4)智能天线的阵元数有限，对于M个阵元的智能天线只能抑制M-1个干扰源，通过MIMO技术获得M(M为发端或收端的最小天线数)倍的容量增益；

总之，将双极化智能天线和MIMO术相结合，对系统性能的提高极其有益。利用空间分集和空间复用增益，实现弱化天线间的相关性，利用智能天线空间分组拉远，天线增益会较未分组前有n倍的减少，这是获得复用增益所带来的开销。双极化智能天线分组复用实现天线整体的体积会较空间分组复用时有所减小。双极化分组智能天线的性能优于空间分组智能天线。同时采用极化天线又兼有天线体积小等好处。因此，两者的结合，可以降低干扰，从而提高系统的容量，获得高频谱利用率，并使在基站和用户设备中的功率控制部分更加简单，同时还降低了网络成本。

附图说明

图1为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法4列±45度双极化直线阵排列示意图；

图2为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法智能天线结合空间复用的MIMO技术；

图3为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法双极化智能天线与MIMO结合方式1；

图4为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法双极化智能天线与MIMO结合方式2；

图5为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法双极化智能天线的闭环分集单流方式；

图6为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法与天线选择技术对比的仿真图；

图7为本发明所涉一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法与单天线但选择自适应系统和多天线多选择自适应系统比较图。

具体实施方式

实施例1：

本发明提供的一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法，是在智能天线基础上结合MIMO技术实现的，如图3，假设UE端有两根天线，eNodeB端的每个极化天线组可分别对准UE的两根天线，每个天线组可根据UE单根天线的上行信道，形成单个的对准波束。整个系统就像工作在2×2的LTE的基准配置下。由于双极化MIMO的两组天线组波束独立形成，所以MIMO预编码书方式可用来进一步提高系统的性能。

如果没有把8天线看作一个整体的方式形成波束的方式，对于TDD模式，eNodeB根据上行完整的8×2的信道矩阵，应用本征值分解或SVD分解方法得到两个最大本征值对应的本征向量，作为下行双数据流的加权因子，如图4所示。

两根天线的情况下，根据8×1或8×2的信道矩阵，同样根据本征值分解取最大的本征值对应的向量，对数据加权形成单个波束。由TDD中当前已有专用导频(DRS)设计方案，对单个波束的情况，可把导频插在DRS，如图5所示。

仿真比较，如图6，智能天线结合天线选择技术与智能天线结合MIMO技术在相同实验室条件下，分析未编码误码率(raw BER)与信噪比(Eb/N0)，MIMO将多径无线信道与发射、接收视为一个整体进行优化，从而实现高的通信容量和频谱利用率；这是一种近于最优的空域时域联合的分集和干扰对消处理。

仿真比较，如图7，单输入单输出系统、多输出多输入系统与双极化智能天线结合MIMO技术在相同实验室条件下，分析未编码误码率(raw BER)与信噪比(Eb/N0)，由于双极化智能天线阵列排列特性和自适应性，且用户之间信号传播方向上的完全正交性，最终使得阵列的增益完全体现在了智能天线对于链路性能的改善。

极化智能天线在某些情况下，需要考虑单双流的自适应切换。在反射物较少的环境中，即使天线的极化方向不同，但是信道仍然比较相关，用户从双流复用变为单流分集可提高传输可靠性；当用户从阴影区走出从单流状态切换到双流可提高用户吞吐量。

实现以双极化智能天线为基础，结合MIMO技术获得空间分集和空间复用增益，利用天线选择实现MIMO技术的最优化，则不管在系统收敛速度，信号强度，系统容量，抗多径衰落、减小时延扩展、支持高数据速率、抑制干扰、减少远近效应、减小中断概率、改善BER(Bit Error Rate)性能、增加系统容量、提高频谱效率、支持灵活有效的越区切换等方面有明显改善。

Claims

1.一种基于双极化智能天线与MIMO技术的抗干扰方法，其特征在于该方法是在智能天线基础上结合MIMO技术和天线选择技术实现的；

第1、基于双极化智能天线与MIMO技术的结合

第2、基于天线选择技术与MIMO技术的结合

由于MIMO系统中配备多个昂贵的射频链路使得硬件的成本和复杂度都增加很大，天线选择的基本出发点是在所有的天线中选择出一部分“好的”天线来使用，既发挥MIMO系统的空间分集或复用的优点，又降低其硬件复杂度；

第3、基于双极化智能天线结合技术的新天馈系统

将智能天线与MIMO技术相结合，系统能同时获得空间分集和空间复用增益；这种新的天馈系统不但能提供智能天线所带来覆盖增益还能通过MIMO技术获得M(M为发端或收端的最小天线数)倍的容量增益；在现有智能天线技术基础上，阵元间距λ/2，彼此之间存在很强的相关性；

弱化天线间的相关性，从以下两个方向着手：空间，极化。空间复用，需将天线尽量拉开距离，以满足较低的衰落相关性；衰落相关性依赖于天线间距和角度扩展，角度扩展即角度分布的标准差；对于宏基站来说，基站端的角度扩展可能仅仅为几度，所以天线的水平间距拉远至10λ才能基本满足信道相关性的要求；极化复用，可以采用两个相互垂直的极化方向来满足较低的衰落相关性；这些正交极化后的天线阵元彼此间的相关性很小，而且组合成的天线体积会相应缩小。