宽带多天线无线传输技术发展展望

宽带多天线无线传输技术发展展望

摘  要：目前，战术通讯系统带宽窄、速率低、机动性差，同时多径传播引发选择性衰落，产生严重干扰，致使系统性能降低，已经不能知足日益增加的高速数据业务需求。针对这些问题，提出多天线多载波（MIMO+OFDM）技术体制，介绍其发展示状、基本原理、关键技术以及主要优点、特色和存在问题，提出更高带宽、更高速率、更高移动性和更高频段，将成为将来发展趋势和重点应用研究方向，这也将极大推进战术通讯跨越式发展。

关键词：战术通讯；多天线；MIMO+OFDM 技术；预编码；波束赋形

0  
引  言
现代做战模式的全面变化，推进了军事做战理论的根本转变。而这种转变使得对高带宽信息，特别是态势感知信息、ISR 信息（情报、监视与侦察信息）以及图像、视频信息的需求发生了指数性的增加。目前的窄带战术通讯系统已经不支持或不知足这种新的需求，限制了做战应用和做战效果，也很难知足要求更高的网络性和机动性。所以，这就
对将来的战术通讯提出了新的更高要求[1-2]。将来的数字化战场，做战方式已从之前常规的前沿预设部署进入兵力随机投送阶段，从以武器平台为主进入以网络中心为主[3]。这一新的变化要求将移动性、灵活性、模块化、高速化、宽带化和网络化紧密结合在一块儿，对快速反应、快速接入能力更加渴望，须寻求新的突破。近十年来，宽带无线传输技术可谓高速发展、日益成熟。IEEE 802.11无 线 局 域 网（WLAN）、IEEE 802.16 无 线 城 域 网（WMAN）、IEEE 802.20 无线广域网（WWAN）等标准，以及 LTE 长期演进计划，都是典型表明，已经成为移动通讯各领域的引领者。这些标准的核心技术均采用正交频分复用（OFDM）和多输入多输出（MIMO）相结合的技术体制，能够提供 100 Mb/s 以上的峰值速率，已成为世界各国的研究热点。从美军战术级指战员信息网络 WIN-T、联合无线电系统
JTRS 的发展历程来看，高容量和高移动性十分重要。而宽带多天线技术扮演了重要角色，是构建鲁棒可靠的战术通讯移动骨干网络的理想方案。
1  
发展示状
1.1  
需求与背景移动无线通讯的一个核心问题是传播信道复杂的时变特性，使其存在传播损耗、慢衰落和快衰落现象，即严重存在频率选择性衰落、时间选择性衰落和空间选择性衰落。这些都是因为多径传播引发的，产生较大的符号间干扰和多址干扰等，对于目前单载波技术体制影响较大，解决困难。尤为对于目前的高速数据业务来讲，单载波通讯系统存在较大的缺陷。这主要是因为无线信道存在时延扩展，高速信息流码元周期又很窄，致使接收的信号产生相互重叠，符号间存在比较严重的码间干扰（ISI），从而对均衡器提出更高的要求，复杂度和实现难度也随着带宽的增大而急剧增长，难以支持 20 MHz以上带宽。所以，人们开始关注 OFDM 技术，但愿经过这种方法来提供更高速更快捷的无线业务。OFDM 技术是由多载波调制（MCM）发展而来的，经过串 / 并变换，下降传输速率，增大码元周期，
减小时延扩散，以减弱多径干扰。同时，随着大规模集成电路技术、DSP 技术和射频器件技术的高速发展和成熟应用，OFDM 技术获得了快速发展，成为宽带移动无线传输技术的核心技术和研究热点。
1.2  
体系标准与演进根据国际电信联盟 ITU IMT-Advanced 的技术要求，IEEE、3GPP、3GPP2 等标准化组织前后提出了一系列宽带无线传输技术标准[4-5]，如图 1 所示

按照传输距离可分为：基于 IEEE802.15 的无线个域网（WPAN）、基于 IEEE802.11 的无线局域网（WLAN）、基于 IEEE 802.16 的无线城域网（WMAN）和基于 IEEE 802.20 的无线广域网（WWAN）等四类标准，以及 3GPP 制定的 LTE 长期演进计划。可是，因为各类缘由，3GPP2 放弃了超宽带 UWB 标准。经过市场竞争与技术发展，LTE 长期演进计划和 IEEE 802.16（Wi MAX） 成 为 ITU 的 主 流 标 准。 其 中，WLAN标准（Wi Fi）也是IEEE推出的比较成功的杰做，大量用于社会各个领域。与蜂窝移动系统相比，它的主要问题是对移动性的有限支持。然而，IEEE 的标准化也在朝增长移动性这个方向发展。而 3GPP 的LTE 长期演进计划对用户移动性（如无缝切换、漫游）特别重视，首先将其归入标准中，发挥了主导做用。整体上，这些宽带接入技术各自具备独特的优点和特色应用于不一样的场景和范围，与公众移动通讯系统造成了优点互补、相互促进、融合发展的良好态势。

1.3  主要指标对比
对目前 LTE 长期演进计划和 IEEE 802.16 系列两个主流宽带标准主要指标进行对比，结果如表 1所示。能够看出，两个标准系列采用的核心技术一致，均为 MIMO+OFDM 技术体制，信道带宽最大20 MHz 或 100 MHz，而二者的结合能够有效提升频谱效率、吞吐量和抗多径衰落的能力。

2  
MIMO+OFDM 技术体制
2.1  
MIMO+OFDM 信息处理基本框架
MIMO+OFDM 信息处理的基本框架如图 2 所示。OFDMA 技术以其抗多径衰落、灵活的频谱资源分配、子载波内信道平坦的特性，成为宽带无线传输最具竞争力的多址接入方案。MIMO 技术则以利用多径信道、不占用额外频率资源、频谱效率成倍提升的优点，成为宽带无线传输最具竞争力的多天线选择方案。MIMO+OFDM 技术解决了当今任何无线电技术都面临的两大难题，即速率和覆盖问题。它利用随机衰落和可能存在的多径传播，成倍提升了业务传输速率和扩大覆盖范围。

2.2  多址接入技术选择
多址接入技术是指多个用户同时使用空中接口的物理资源的方法，是区分多个用户、避免用户间通讯干扰的一种方法。多址技术的关键是设计具备正交性的函数集合，使各信号相互无关。通常多址接入有时分多址（TDMA）、频分多址（FDMA）、码分多址（CDMA）和正交频分多址（OFDMA）四种方式。其中，TDMA 接入是在给定的传输频段把发送时间划分为若干个时间时隙，各用户在指定的时隙内依次发送，互不干扰，实现多址接入；FDMA 接入是把给定的传输频段划分为若干个较窄的且互不重叠的子频段，以各子频段不一样的载波频率区分用户，实现多址接入；CDMA 接入是一种利用扩频信号不一样的地址码序列来实现不一样用户的划分，实现多址接入，其各用户传输频段、载
波频率相同，发射时间任意；OFDMA 接入来源于OFDM，是一种利用多载波、多信道、正交性来实现不一样用户的划分，经过为不一样用户分配不一样子载波，共享一个 OFDM 符号，实现多址接入。目前，OFDMA 技术以其抗多径衰落、灵活的频谱资源分配、子载波内信道平坦等特性，成为最具竞争力的多址接入技术。
2.3  多天线技术选择
多天线技术即多输入多输出（MIMO）技术，是指由多根天线阵元组成的天线阵列，采用多个发送 / 接收天线及信号处理技术，以有效提升系统容量、传输速率和覆盖范围，是无线移动通讯的关键技术和重大突破。MIMO 技术包括单发单收（SISO）、多发单收（MISO）、单发多收（SIMO）和多发多收（MIMO）四种工做方式。它主要利用空间分集、空间复用和波束赋形三种技术。MIMO 信息处理包括 MIMO 编码模块和预编码 / 波束赋形模块，核心是空时编码和波束赋形算法。空间分集能够提升信道传输的可靠性，下降信道误码率；空间复用能够大大提升信道容量；波束赋形则能够提升接收信号的信噪比，提升抗干扰能力。对于单用户，在每一个资源单元（RU）上只有一个用户被调度；对于多用户，多个用户可在一个资源单元（RU）上传送，每一个用户使用不一样的调制编码方式。
3  预编码 / 波束赋形关键技术
预编码/波束赋形技术是MIMO的核心技术[6-7]，二者在功能上有很大的类似性，均可当作是对信号进行幅度和相位的调整。可是，二者在本质上又有很大的不一样。预编码要求大间距的天线阵列，预编码矩阵更关注分集增益，须要根据瞬时的信道变化进行调整和适配，以尽量得到空间信道的正交性。物理下行共享信道的主要传输模式都是经过预编码实现的，能够根据信道条件，对发送信号的空间特性进行优化，使发送信号的空间分布特性与信道条件相匹配。波束赋形则要求小间距的天线阵列，利用空间信道的强相关性及波的干涉原理，产生强方向的辐射方向图，将辐射方向图自适应地指向用户的来波方向，以提升接收端的信噪比，提升系统容量或覆盖范围。它的权值只需匹配来波方向和路径损耗的信道慢变化。
3.1  预编码技术

预编码是根据信道并行传输流数量，将有限的发射功率分配给可以有效传输的数据流，从而避免发射功率的浪费，将数据流进行处理并映射到物理天线上。根据 MIMO 模式的不一样，具体的映射方式也不一样。根据空间信道状态，在发射端自适应地改变预编码矩阵，调整发射信号，将发射功率集中到信道的特征方向，以得到更高的性能增益。根据
预编码矩阵特征不一样，预编码分为线性预编码和非线性预编码两种。因为非线性预编码非线性复杂度高、译码算法复杂，通常选择线性预编码。根据预编码矩阵获取方式的不一样，预编码分为基于码本和基于非码本的两类操做方式。第一类，基于码本的预编码。预编码矩阵只能从码本中选取，码本的内容发送 / 接收两端都是已知的，不须要对发送 / 接收两端对称性进行校准，对上行传输能力也没有要求。预编码矩阵在接收端获得，经过预编码矩阵序号（PMI）反馈发送端，适用于频分双工。第二类，基于非码本的预编码。它利用信道的互易性，根据上行信道信息获取下行信道信息，进行矩阵分解，生成预编码矩阵。所以，不对预编码矩阵限制，能够是任何符合设计规则与应用条件限制的矩阵。预编码矩阵在发射端获得，经过预测的信道状态信息（CSI）进行预编码矩阵计算，适用于时分双工。典型的预编码设计准则有最小奇异值准则（MSV）、均方偏差准则（MSE）、最大容量准则（MC）和最大似然准则（ML）等。
3.2  波束赋形技术
波束赋形是补偿无线传播过程当中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，造成对基带信号的最佳组合或分配，下降同信道用户间的干扰。根据信道信息获取方式，波束赋形可分为基于波束赋形的码本反馈方式和基于波束赋形的非码本反馈方式两种方式。其中，码本反馈方式是一种相对简单的固定波束赋形技术。它利用反馈信息对发
射信号进行加权，使用的码本已知，波束方向是固定的，不须要任何特定的导频来区分用户。因为受反馈时延的影响，它适用于低速场景。非码本反馈方式是一种自适应波束赋形技术，利用上行信道信息对发射信号进行加权，不须要反馈信道提供信息，每一个天线阵元的权值能够经过上行信道自行估计获得，处理时延较大，适用于低速场景。根据所需先验知识，波束赋形又可分为基于波达方向（Do A）的波束赋形、基于参考信号的波束赋形和盲波束赋形三种类型。第一类，基于波达方向（Do A）的波束赋形，是一种经过估计信号的到达角（Do A），利用 Do A 信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。典型的波束赋形算法有 GOB 算法（Grids of Beams）、EBB 算法（Eigen Based Beamforming）、多重信号分类（MUSIC）算法和基于旋转不变技术的信号参数估计方法（ESPRIT）算法等。GOB 算法是基于空间参数模型的算法，经过划分空间区域，计算接收信号功率，找到最大功率对应的区域，肯定赋形角度，实现下行信道指向性发射，通常用于固定用户。EBB 算法是一种自适应的波束赋形算法，经过对空间相关矩阵进行特征值的分解获得权矢量。当用户在小区中移动时，它经过测量肯定用户信号到达方向（Do A），选取预先设定的波束赋形系数进行加权，改变信道的特性，造成特定的波束，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提升用户的接收信噪比。而 MUSIC 算法和 ESPRIT 算法是利用空间协方差矩阵的特征向量来构造信号子空间与噪声子空间。因为它们相互正交或信号矢量经旋转后空间参数不变，从而利用这两个互补空间之间的正交特性来估计空间信号的方位。空间谱中的峰值位置对应信号的来波方位，大大提升了测向分辨率，同时适应于任意
形状的天线阵列，但这两种方法都创建在不相干信号模型基础上。以上这些算法在实际工程中都获得了普遍应用。第二类，基于参考信号的波束赋形，不需知道到达方向（Do A）、阵列流形等先验知识，利用参考信号达到信道指望信号的估计，但实际上参考信号是不容易获取的，所以实际应用中存在很大局限性。第三类，盲波束赋形，也不须要知道到达方向（Do A）、阵列流形、训练序列、导频信号和信号自相关矩阵等先验知识，利用信道潜在的结构特征或者输入信号的特征达到信道指望信号的估计。这种方法复杂度高、收敛速度慢，适用于慢衰落的信道。典型的有恒模算法（CMA）、频谱自相关算法（SCORE）和循环波束赋形算法（CAB）等。

4  主要优点与问题
4.1  主要优点与特点
4.1.1  高抗干扰性
因为采用多天线 MIMO 技术具备空间分集、空间复用和发射分集的做用，所以经过空间分集技术抵消多径衰落，提升信道的可靠性，下降信道误码率；经过空间复用技术大大提升信道容量，提升信道的可靠传输；经过发射分集技术提升信道的可信传输。它的核心技术是采用空时编码技术、波束赋形技术等对抗信道多径衰落，实现可靠传输。这也是 MIMO+OFDM 可以取代 CDMA 成为宽带移动无线传输解决抗干扰方案的最重要缘由。另外，经过引入保护间隔和循环前缀，在保护间隔大于最大多径时延扩展的状况下，能够最大限度得消除多径带来的符号间干扰（ISI）以及信道间干扰（ICI）。
4.1.2  高频谱效率
从表 1 能够看出，在 MIMO 2*2 条件下，频谱效率可达到 5 bit/s/Hz；在 MIMO 4*4 条件下，频谱效率可达到 16 bit/s/Hz，远远高于单载波频谱效率。这主要得益于采用了 OFDM 技术和快速傅里叶变换（FFT）技术。FFT 技术使各子载波间可部分重叠，理论上能够接近奈奎斯特极限且保持相互正交，接收时经过相关解调技术分离出来，频谱效率提升近一倍。所以，OFDM 技术能够实现各用户间的正交性，有效避免用户间干扰，得到高的频谱效率；而MIMO 技术可以在不增长额外功率或者带宽的前提下，经过提供空分复用增益增长系统容量，经过不一样的发射天线，使系统容量呈线性增加。
4.1.3  高覆盖范围
采用多天线 MIMO 技术，接收信号是对全部天线阵元上的信号进行相干合并的叠加之和，能够得到天线阵列或波束赋形的额外高增益。它正比于接收天线的数目，大幅增长了接收端的信噪比，从而扩大了覆盖范围。另外，高宽带性也使其网络连通性更加易构与畅通，便于多级组网与中继，覆盖范围能够大幅延伸。
4.1.4  带宽扩展容易
从表 1 能够看出，信道带宽能够选择 1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、100 MHz等。信号带宽取决于所用子载波的数量，即占用子载波数量少，信道带宽就窄；占用子载波数量越多，信道带宽就越宽。所以，系统具备良好的带宽扩展能力，而且很容易经过 FFT 技术实现。
4.1.5  资源分配容易
系统中频域资源最小粒度为一个子载波，子载波宽度的肯定要兼顾系统效率和移动性，考虑信令开销和增益的折中，可以灵活选择适合的子载波进行传输，实现动态的频域资源分配，以充分利用频率分集、频率选择及多用户分集，得到更好的系统性能。
4.1.6  OFDM 与 MIMO 结合容易
在平坦衰落信道中，多天线 MIMO 技术能够利用传播中的多径份量；而在频率选择性衰落信道中，其复杂度大大增长，性能有较大损失。在 OFDM 系统中，每一个子载波信道可看做平坦衰落信道，引入多天线 MIMO 技术所带来的额外复杂度能够控制在较低水平，其复杂度则随天线数量呈线性增长；而在单载波 MIMO 系统中，其复杂度与天线数量
和多径数量的乘积的幂成正比，复杂度高。因此，MIMO 与 OFDM 在宽带系统中更容易结合，且能得到更高的频谱效率。
4.2  主要问题与缺陷
4.2.1  峰均比（PAPR）问题
MIMO+OFDM 系统处理的是频域信号，信息须要经过若干个子载波发送。在任一时刻，时域信号为若干个子载波随机信号叠加之和，所以会致使峰均比（PAPR）很高。峰均比高对前端放大器的线性要求就高，会致使发射机功放成本和耗电量的增长。对于终端成本和耗电量受到限制的上行，也有较大影响。
4.2.2  频率偏移问题
移动系统中，用户终端移动或做相对运动时，会引发相对码相位的变化；电波传播中的多径效应也会引发相位、载波中心频率相位的变化。这些都会带来频率偏移，影响系统性能。在 MIMO+OFDM系统中，子载波宽度比较窄，对符号定时和载波频率误差比较敏感，容易致使子载波之间正交性变差。
    所以，要综合考虑子载波带宽问题。若子载波过宽，会下降频谱效率；若子载波过窄，会影响高速移动时的性能。

4.2.3  信道估计问题
信道估计对性能影响很大，在得到较高性能的同时应尽量减少开销。当天线阵元较多时，波束宽度比较窄。在多径衰落、散射现象比较严重的环境下，在对来波方向 Do A 估计时会产生误差，致使系统性能降低。所以，波束赋形增益将因为波束扩展角度变宽而减少。
4.2.4  天线校订问题
为了准确估算来波方向 Do A，天线阵列系统须要在幅度和相位两方面都进行测量与校订。对于多天线来讲，相位的一致性是一个很大的问题，增长了系统复杂性。
5  发展趋势与展望
5.1  向超宽带化方向发展

向超宽带化方向发展，信道带宽向 100 MHz、500 MHz 拓展。根据香农定理可知，信道容量与信道带宽成正比。信道带宽越宽，信道容量越大。合理的信道带宽，能够大幅提高空中传输速率。而多载波技术和宽带射频技术为实现超宽带化提供了技术支撑，是宽带无线传输技术发展的重要方向和标志。
5.2  向极高速化方向发展
向极高速化方向发展，传输速率向 100 Mb/s、 1 Gb/s、10 Gb/s 进军。对于高速运动用户的目标数据速率可达 100 Mb/s，对于低速运动用户的目标数据速率可达 1 Gb/s，甚至 10 Gb/s，从而最大限度地知足动态图像、视频、情报信息等大数据量实时传输及快速组网要求，而大规模 MIMO 技术和自适应多流技术为实现极高速化提供了技术可能。
5.3  向高移动性方向发展
向高移动性方向发展。研究地面、海面、中高空长航时，无人机、有人机等高速移动平台协同通讯问题，突破高增益智能阵列天线技术、高效同步技术、动态快速组网技术、动态资源管理技术和自适应接入技术等关键技术，支持 350 km/h 以上高速移动物体的快速接入和可靠通讯。
5.4  向更高频段方向发展

因为有限的频谱资源，目前 10 GHz 如下频段基本规划已分配完，没有多余频段可用，需向毫米波和太赫兹更高的频段延伸。这些频段的最大优点就是宽带宽，无需许可无偿使用的带宽宽，可达近10 GHz 甚至更高，能够实现极高速无线传输。所以，毫米波通讯和太赫兹通讯引发了人们的普遍关注和高度重视，毫米波频段在 30 ～ 300 GHz 范围 内，毫米波移动通讯通常选择在低端频段，数十吉赫兹范围内。因为其波长短、频带宽、体积小、速率超高和抗截获能力强等特色，能够在很小的面积上使用大规模 MIMO 阵列天线和波束赋形技术造成高增益的方向性窄波束，克服多径衰落和大的传播损耗，有效解决高速宽带无线接入面临的许多问题。传输速率可达到 10 Gb/s 以上，具备极大的应用前景，但也存在一些问题，主要表现为毫米波的传输衰减大、穿透能力差。在通讯功率受限的状况下，通讯有效覆盖范围影响较大。所以，要重点开展适应新要求下的大规模 MIMO 阵列天线、混合波束赋形和预编码搜素算法等关键技术研究。太赫兹频段在 0.1 ～ 10 THz 范围内。太赫兹通讯通常选择在低端频段，数百吉赫兹范围内。因为其波长更短、频带更宽、体积更小、速率极高、抗截获能力更强和穿透能力强等特色，在宽带通讯领域显示出巨大的应用潜力。与毫米波通讯相比，太赫兹通讯带宽优点更加显著，可达到 100 Gb/s 以上的极高传输速率，但存在大气衰减严重、发射功率低、瞄准相对困难等问题，主要用于近距离通讯。这两种通讯方式比目前宽带传输技术要快 100 倍甚至更高，是很好的宽带信息载体，特别适合构建宽带宽、高容量、大范围覆盖、中继与分发能力的陆基骨干网络、空中 骨干网络或空中移动热点，延伸通讯距离，加强吞吐能力，为联合做战提供支持。 6  结  语 目前，MIMO+OFDM 相结合的宽带技术体制已经商业化，技术十分红熟，但在战术通讯领域应用还不多，不是很成熟，其高速化、宽带化和移动性符合将来战术通讯的发展方向，可以有效对抗频率选择性衰落和载波间干扰，具备抗衰落和抗多径干扰的能力。经过适应性改进，覆盖范围会大幅增长，峰值速率比现役提升百倍以上，彻底知足对于图像、视频等大数据实时传输要求。而其高速移动性、移动随遇接入能力更让其展示优良的战术性能，是解决战术通讯移动骨干网络的最优方案。