移動通信中的物理信道空間資源的利用

　　 
　　移動通信中的物理信道必須要占據一定的時間、頻率、功率和空間，而這些資源是有限的，并且是所有信道共享的。

在頻分多址系統中，主要以頻率的不同劃分不同的信道；在時分多址系統中，在頻率分開的基礎上，又在時間上劃分出了許多信道；碼分多址系統是自干擾系統，其本質是許多信道共享功率資源，而區分這些信道的是PN碼。時間、頻率和功率資源可以看作是一維的資源，其分離可以在一根坐標軸上表示，業界對這些資源的利用已經非常成熟。而空間資源是一種二維的甚至是三維的資源，真正充分利用空間資源的技術難度也相應較大。從無線通信發展初期到現在，雖然大家越來越重視開發利用空間資源，但到目前為止，在空間資源方面仍然還有很大的潛力可挖。本文主要介紹了各種空間資源利用技術，包括相對簡單的蜂窩結構、小區分裂、空間接收分集，到相對復雜的空間分集發射、MIMO天線和空時編碼、智能天線等前沿技術。
　　
　　蜂窩結構和小區分裂
　　在無線通信發展之初，通常只有一個地面站覆蓋整個城市，即大區制移動通信系統。這種系統的發射功率很大（50～200W），覆蓋半徑可達30～50km，但是系統容量很小，一般只能同時容納幾十個到幾百個用戶。
　　
　　隨著系統容量需求和有限頻譜資源的矛盾日益突出，出現了小區制蜂窩覆蓋技術。蜂窩技術在平面空間上劃分許多正六邊形的小區，每個小區架設覆蓋該小區的天線，在空間上相隔一定距離的各個小區進行頻率復用，從而提高了頻率利用率。同時，這種結構組網靈活，可以基本實現無縫覆蓋。這是無線通信利用空間資源的一個里程碑。
　　
　　隨著移動通信技術的快速發展，移動用戶數也不斷增加，蜂窩移動通信系統容量也很快達到飽和，而且各個小區的用戶密度不相等。特別是在城市環境中，用戶密度較大，原來的蜂窩系統容量不能滿足需求。最簡單的方法就是進一步把蜂窩劃分得更小，進一步提高頻率復用程度，這就是小區分裂。小區分裂的方式有許多種，一種常用的方式是在原小區的基礎上，用定向天線代替全向天線，將全向覆蓋的小區分裂成定向覆蓋的小區，這種方法的優點是不需要增加新的基站。工程中大量采用的是把一個全向小區分成3個120°覆蓋的扇形小區。常見的還有分成6個60o扇形小區的方案、將原正六邊形小區分裂成3個新的正六邊形小區的1:3方案。還有一種辦法就是在適當地方增加新的基站，一般是把原來的小區分裂成4個半徑縮小一半的六邊形小區。當用戶數繼續大量增加時，可以組合使用上面的方法進行二次小區分裂。如形成1×6×3方式，1×3×4方式。通過小區分裂的不斷進展，一些原來由宏蜂窩覆蓋的區域由許多微蜂窩或微微蜂窩覆蓋，或者由大小不同的蜂窩同時覆蓋，從而出現了分層蜂窩結構。
　　
　　小區分裂盡量在空間上增加頻率的復用效率是移動通信擴容的一項重要技術，但現在“小區分裂”已接近其技術極限。GSM在我國開通運營以來，網絡擴容一直以小區分裂為主，但在大中城市高話務密度地區，如北京、上海、廣州、深圳等大城市的GSM網絡，基站布局已經很密，市區基站間距已經縮小到300～500米，不可能再大規模地增加基站，只能在個別地區采用特殊措施新建少量基站。
　　
　　空間分集接收和分集發射
　　無線信號在復雜無線信道中傳播會產生多徑瑞利衰落，在不同空間位置上，其衰落特性是不同的。如果兩個位置相隔十個無線信號波長以上，就可以認為兩處的信號是完全不相關的。利用這個特點，可以實現信號空間分集接收?？臻g分集一般用兩副相距十個波長以上的天線同時接收信號，然后在基帶處理中把兩路信號合并。根據兩路信號的信號質量，合并的方法可分為選擇合并、開關合并、等增益合并和最大比合并。其中，最大比合并之后信號的信噪比等于合并之前各支路的信噪比之和，是最佳的合并方式。在CDMA系統的軟切換過程中，還可以通過相鄰的基站進行分集接收（宏分集），從而提高移動臺在小區邊緣的通信質量。
　　
　　空間分集接收利用信號在空間上的不相關性提高通信系統的性能，一般采用雙分集天線能得到3dB的增益。目前，在CDMA系統中分集發射技術也日益得到重視。
　　
　　在3GPP的WCDMA協議中，涉及到六種分集發射方法：空時分集發射（STTD：Space Time Transmit Diversity）、時間切換分集發射（TSTD：Time Switched Transmit Diversity）、兩種閉環分集發射模式、軟切換中的宏分集、以及站點選擇分集發射（SSDT：Site selection diversity transmit）。分集發射利用了不同基站或同一基站中不同位置的天線發射信號到達移動臺的不相關性，借助移動臺的Rake分集接收功能，分別接收由不同天線或不同基站發出的信號再進行分集合并，提高系統性能。信道編碼、速率匹配和交織是在非分集模式下進行的。時間切換分集發射只用于同步信道，根據奇數時隙和偶數時隙的信號用不同的天線發射。這兩種分集發射不需要移動臺反饋信道質量信息，屬于開環分集發射。兩種閉環分集發射模式需要移動臺的反饋信息，信道編碼、交織和擴頻與非分集模式相同，擴頻后的復數信號送到兩個發射天線，并被天線的特定加權因子w1和w2加權。通常情況下加權因子為復數。加權因子(即對應的閉環模式1下的相位調整量和閉環模式2下的相位/幅度調整量)由移動臺決定。移動臺利用上行專用物理控制信道把必要的信道信息傳給基站。
　　
　　在軟切換過程中，可以通過兩個甚至三個基站同時向一個移動臺發射同樣的信號，這是一般的宏分集發射。此外還可以進行站點選擇分集發射。站點選擇分集發射是軟切換下的另一種宏分集方法，其操作過程如下：移動臺從激活集中選擇一個小區作為主小區，其它小區為非主小區。主要目的是只從主小區進行下行發射，從而降低在軟切換模式下多發射帶來的干擾。第二個目的是在沒有網絡參與下獲得快速位置選擇，從而保證軟切換的優勢。為了選擇一個主小區，給每個小區都分配一個臨時標識符(ID)，移動臺周期性地通過上行信道為所連接的小區發送主小區ID，被移動臺選擇為非主小區的小區將停止發射。
　　
　　MIMO天線系統和空時編碼　　在3GPP的高速下行分組接入方案中提出了MIMO（Multiple Input Multiple Output）天線系統，這種系統在發送和接收方都有多付天線，可以認為是雙天線分集的進一步擴展，但MIMO還引入編碼重用 (Code re-use)方法，用相同的信道化碼和擾碼調制多個不同的數據流，如果基站發射端采用M付天線和N個擴頻碼，則一個高速的數據流被分為M×N個子數據流，每個擴頻碼對M個子數據流進行擴頻，相同擴頻碼擴頻的M路數據分別送到相應的M付天線，在送往天線發射之前各路要加上相互正交的導頻，最后用同一擾碼加擾。這樣同時發射出去的各路數據所用的擴頻碼和所用的發射天線不會完全一致。在接收端也用了多付天線。對于擴頻碼不同的數據流，可以利用擴頻碼的正交性分離出來。但對于采用相同擴頻碼的各個數據流，就要靠不同天線信號在無線信道中的不相關性來區分。如果接收端有P付天線，而且采用了L個支路（finger）的Rake接收機，可以認為數據經過M×P×L個無線信道到達接收端，接收端利用M個導頻對每付天線的數據進行L條支路的信道估計補償，然后把對應同一天線的數據進行Rake合并。這就是采用了空域信號處理的二維Rake接收技術。為了保證相同擴頻碼的各個子數據流能有效分離，各天線的間隔距離要比較大，以保證信號的不相關性，甚至MIMO系統在沒有直射徑的瑞利衰落條件下工作得更好。MIMO天線系統能提供14.4Mb/s甚至21.6Mb/s的數據傳輸速率，同時也能提高系統容量。但MIMO天線系統會造成移動臺和基站復雜性的增加，在2G頻段下，UE上四個天線排列的線性距離需7.5厘米以獲得非相關性，研究結果表明，帶有四付天線的移動臺的復雜度是單天線的2倍。
　　
　　目前，朗訊、松下、金橋和NTT DoCoMo等公司都在積極倡導MIMO天線系統技術的應用。
　　
　　近幾年來，還有許多機構在研究基于MIMO天線系統的空時編碼技術。其實，STTD分集發射和上述的MIMO天線系統已經采用了簡單空時編碼技術?；诜旨l射的空時碼可以分為空時格碼(space-time trellis code)和空時塊碼(space-time block code)?？諘r格碼有較好的性能，但其譯碼復雜度與傳輸速率成指數關系，實現難度較大?？諘r塊碼性能稍遜于空時格碼，但由于利用了正交設計理論，其譯碼復雜度很低，還可能得到最大的分集發射增益。STTD編碼就是一種空時塊碼。經過空時編碼的信號經過多條相關較小的無線信道到達接收端，接收端通常需要知道各個無線信道的理想參數，這就要求發射端發射不同的導頻序列，接收端采用大量的信道估計運算，才可以達到空時分集效果。為此，也有人在研究不用信道估計的盲空時碼。多天線系統和空時編碼的結合，是空間資源利用技術的發展方向，可以認為是一種高級的分集技術。
　　
　　智能天線
　　蜂窩結構及小區分裂能很有效地增加系統容量，但這種利用空間資源的方法很難有效地降低各個小區之間的干擾，較難提高移動通信系統的通信質量?？臻g分集收發技術則能在一定程度上提高通信質量，但對容量的提高效果并不是很明顯。MIMO技術需要在移動臺配置多付天線，大大限制了其推廣應用。智能天線技術在系統容量和通信質量的提高上都有很出色的表現，而且可以在不影響移動臺結構的前提下在基站側即可實現，是現代移動通信領域的研究熱點之一。
　　
　　智能天線采用兩個以上單天線陣組成，相鄰天線陣的間隔約半個無線波長，各個天線陣元接收到信號的能量是一樣的，這是與分集天線的重要差別。由于無線信號波程差的存在，各個陣元對不同方向到達的信號就有不同的相位響應，從而后續信號處理可以區分不同方向的信號。每個天線陣元接收到的信號經過射頻處理后用適當的復數權值進行加權求和，使所需信號通過同相疊加得到加強，而其它干擾信號通過非同相疊加得到削弱，從而提高接收信噪比。加權的實質是一種角度域的空間濾波。智能天線具有一定的空分多址（SDMA:Space

原文轉自：http://www.kjueaiud.com