金紅軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200063）

寬帶多天線無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展展望

金紅軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海 200063）

目前，戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)帶寬窄、速率低、機(jī)動(dòng)性差，同時(shí)多徑傳播引起選擇性衰落，產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。針對(duì)這些問題，提出多天線多載波（MIMO+OFDM）技術(shù)體制，介紹其發(fā)展現(xiàn)狀、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)以及主要優(yōu)勢(shì)、特點(diǎn)和存在問題，提出更高帶寬、更高速率、更高移動(dòng)性和更高頻段，將成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)和重點(diǎn)應(yīng)用研究方向，這也將極大推動(dòng)戰(zhàn)術(shù)通信跨越式發(fā)展。

戰(zhàn)術(shù)通信；多天線；MIMO+OFDM技術(shù)；預(yù)編碼；波束賦形

0 引 言

現(xiàn)代作戰(zhàn)模式的全面變化，推動(dòng)了軍事作戰(zhàn)理論的根本轉(zhuǎn)變。而這種轉(zhuǎn)變使得對(duì)高帶寬信息，特別是態(tài)勢(shì)感知信息、ISR信息（情報(bào)、監(jiān)視與偵察信息）以及圖像、視頻信息的需求發(fā)生了指數(shù)性的增長(zhǎng)。目前的窄帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)已經(jīng)不支持或不滿足這種新的需求，限制了作戰(zhàn)應(yīng)用和作戰(zhàn)效果，也很難滿足要求更高的網(wǎng)絡(luò)性和機(jī)動(dòng)性。因此，這就對(duì)未來(lái)的戰(zhàn)術(shù)通信提出了新的更高要求[1-2]。

未來(lái)的數(shù)字化戰(zhàn)場(chǎng)，作戰(zhàn)方式已從以前常規(guī)的前沿預(yù)設(shè)部署進(jìn)入兵力隨機(jī)投送階段，從以武器平臺(tái)為主進(jìn)入以網(wǎng)絡(luò)中心為主[3]。這一新的變化要求將移動(dòng)性、靈活性、模塊化、高速化、寬帶化和網(wǎng)絡(luò)化緊密結(jié)合在一起，對(duì)快速反應(yīng)、快速接入能力更加渴望，須尋求新的突破。近十年來(lái)，寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)可謂高速發(fā)展、日益成熟。IEEE 802.11無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、IEEE 802.16無(wú)線城域網(wǎng)（WMAN）、IEEE 802.20無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）等標(biāo)準(zhǔn)，以及LTE長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃，都是典型代表，已經(jīng)成為移動(dòng)通信各領(lǐng)域的引領(lǐng)者。這些標(biāo)準(zhǔn)的核心技術(shù)均采用正交頻分復(fù)用（OFDM）和多輸入多輸出（MIMO）相結(jié)合的技術(shù)體制，可以提供100 Mb/s以上的峰值速率，已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。從美軍戰(zhàn)術(shù)級(jí)指戰(zhàn)員信息網(wǎng)絡(luò)WIN-T、聯(lián)合無(wú)線電系統(tǒng)JTRS的發(fā)展歷程來(lái)看，高容量和高移動(dòng)性十分重要。而寬帶多天線技術(shù)扮演了重要角色，是構(gòu)建魯棒可靠的戰(zhàn)術(shù)通信移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)的理想方案。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 需求與背景

移動(dòng)無(wú)線通信的一個(gè)核心問題是傳播信道復(fù)雜的時(shí)變特性，使其存在傳播損耗、慢衰落和快衰落現(xiàn)象，即嚴(yán)重存在頻率選擇性衰落、時(shí)間選擇性衰落和空間選擇性衰落。這些都是由于多徑傳播引起的，產(chǎn)生較大的符號(hào)間干擾和多址干擾等，對(duì)于目前單載波技術(shù)體制影響較大，解決困難。尤其對(duì)于目前的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，單載波通信系統(tǒng)存在較大的缺陷。這主要是由于無(wú)線信道存在時(shí)延擴(kuò)展，高速信息流碼元周期又很窄，導(dǎo)致接收的信號(hào)產(chǎn)生相互重疊，符號(hào)間存在比較嚴(yán)重的碼間干擾（ISI），從而對(duì)均衡器提出更高的要求，復(fù)雜度和實(shí)現(xiàn)難度也隨著帶寬的增大而急劇增加，難以支持20 MHz以上帶寬。因此，人們開始關(guān)注OFDM技術(shù)，希望通過(guò)這種方法來(lái)提供更高速更快捷的無(wú)線業(yè)務(wù)。OFDM技術(shù)是由多載波調(diào)制（MCM）發(fā)展而來(lái)的，通過(guò)串/并變換，降低傳輸速率，增大碼元周期，減少時(shí)延擴(kuò)散，以減弱多徑干擾。同時(shí)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、DSP技術(shù)和射頻器件技術(shù)的高速發(fā)展和成熟應(yīng)用，OFDM技術(shù)得到了快速發(fā)展，成為寬帶移動(dòng)無(wú)線傳輸技術(shù)的核心技術(shù)和研究熱點(diǎn)。

1.2 體系標(biāo)準(zhǔn)與演進(jìn)

根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟ITU IMT-Advanced的技術(shù)要求，IEEE、3GPP、3GPP2等標(biāo)準(zhǔn)化組織先后提出了一系列寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，如圖1所示。

按照傳輸距離可分為：基于IEEE802.15的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）、基于IEEE802.11的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）、基于IEEE 802.16的無(wú)線城域網(wǎng)（WMAN）和基于IEEE 802.20的無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN）等四類標(biāo)準(zhǔn)，以及3GPP制定的LTE長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃。但是，由于各種原因，3GPP2放棄了超寬帶UWB標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)與技術(shù)發(fā)展，LTE長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃和IEEE802.16 （WiMAX）成為ITU的主流標(biāo)準(zhǔn)。其中，WLAN標(biāo)準(zhǔn)（WiFi）也是IEEE推出的比較成功的杰作，大量用于社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。與蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)相比，它的主要問題是對(duì)移動(dòng)性的有限支持。然而，IEEE的標(biāo)準(zhǔn)化也在朝增加移動(dòng)性這個(gè)方向發(fā)展。而3GPP的LTE長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃對(duì)用戶移動(dòng)性（如無(wú)縫切換、漫游）特別重視，首先將其納入標(biāo)準(zhǔn)中，發(fā)揮了主導(dǎo)作用?？傮w上，這些寬帶接入技術(shù)各自具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)應(yīng)用于不同的場(chǎng)景和范圍，與公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)形成了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、相互促進(jìn)、融合發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。

圖1 寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)

1.3 主要指標(biāo)對(duì)比

對(duì)目前LTE長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃和IEEE 802.16系列兩個(gè)主流寬帶標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。可以看出，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列采用的核心技術(shù)一致，均為MIMO+OFDM技術(shù)體制，信道帶寬最大20 MHz或100 MHz，而兩者的結(jié)合可以有效提高頻譜效率、吞吐量和抗多徑衰落的能力。

表1 LTE與802.16系列主要指標(biāo)對(duì)比

2 MIMO+OFDM技術(shù)體制

2.1 MIMO+OFDM信息處理基本框架

MIMO+OFDM信息處理的基本框架如圖2所示。OFDMA技術(shù)以其抗多徑衰落、靈活的頻譜資源分配、子載波內(nèi)信道平坦的特性，成為寬帶無(wú)線傳輸最具競(jìng)爭(zhēng)力的多址接入方案。MIMO技術(shù)則以利用多徑信道、不占用額外頻率資源、頻譜效率成倍提高的優(yōu)勢(shì)，成為寬帶無(wú)線傳輸最具競(jìng)爭(zhēng)力的多天線選擇方案。MIMO+OFDM技術(shù)解決了當(dāng)今任何無(wú)線電技術(shù)都面臨的兩大難題，即速率和覆蓋問題。它利用隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播，成倍提高了業(yè)務(wù)傳輸速率和擴(kuò)大覆蓋范圍。

圖2 MIMO+OFDM信息處理基本框架

2.2 多址接入技術(shù)選擇

多址接入技術(shù)是指多個(gè)用戶同時(shí)使用空中接口的物理資源的方法，是區(qū)分多個(gè)用戶、避免用戶間通信干擾的一種方法。多址技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)具有正交性的函數(shù)集合，使各信號(hào)相互無(wú)關(guān)。一般多址接入有時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址（FDMA）、碼分多址（CDMA）和正交頻分多址（OFDMA）四種方式。其中，TDMA接入是在給定的傳輸頻段把發(fā)送時(shí)間劃分為若干個(gè)時(shí)間時(shí)隙，各用戶在指定的時(shí)隙內(nèi)依次發(fā)送，互不干擾，實(shí)現(xiàn)多址接入；FDMA接入是把給定的傳輸頻段劃分為若干個(gè)較窄的且互不重疊的子頻段，以各子頻段不同的載波頻率區(qū)分用戶，實(shí)現(xiàn)多址接入；CDMA接入是一種利用擴(kuò)頻信號(hào)不同的地址碼序列來(lái)實(shí)現(xiàn)不同用戶的劃分，實(shí)現(xiàn)多址接入，其各用戶傳輸頻段、載波頻率相同，發(fā)射時(shí)間任意；OFDMA接入來(lái)源于OFDM，是一種利用多載波、多信道、正交性來(lái)實(shí)現(xiàn)不同用戶的劃分，通過(guò)為不同用戶分配不同子載波，共享一個(gè)OFDM符號(hào)，實(shí)現(xiàn)多址接入。目前，OFDMA技術(shù)以其抗多徑衰落、靈活的頻譜資源分配、子載波內(nèi)信道平坦等特性，成為最具競(jìng)爭(zhēng)力的多址接入技術(shù)。

2.3 多天線技術(shù)選擇

多天線技術(shù)即多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)，是指由多根天線陣元組成的天線陣列，采用多個(gè)發(fā)送/接收天線及信號(hào)處理技術(shù)，以有效提高系統(tǒng)容量、傳輸速率和覆蓋范圍，是無(wú)線移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)和重大突破。MIMO技術(shù)包括單發(fā)單收（SISO）、多發(fā)單收（MISO）、單發(fā)多收（SIMO）和多發(fā)多收（MIMO）四種工作方式。它主要利用空間分集、空間復(fù)用和波束賦形三種技術(shù)。MIMO信息處理包括MIMO編碼模塊和預(yù)編碼/波束賦形模塊，核心是空時(shí)編碼和波束賦形算法?？臻g分集可以提高信道傳輸?shù)目煽啃?，降低信道誤碼率；空間復(fù)用可以大大提高信道容量；波束賦形則可以提高接收信號(hào)的信噪比，提高抗干擾能力。對(duì)于單用戶，在每個(gè)資源單元（RU）上只有一個(gè)用戶被調(diào)度；對(duì)于多用戶，多個(gè)用戶可在一個(gè)資源單元（RU）上傳送，每個(gè)用戶使用不同的調(diào)制編碼方式。

3 預(yù)編碼/波束賦形關(guān)鍵技術(shù)

預(yù)編碼/波束賦形技術(shù)是MIMO的核心技術(shù)[6-7]，兩者在功能上有很大的相似性，都可看成是對(duì)信號(hào)進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整。但是，兩者在本質(zhì)上又有很大的不同。預(yù)編碼要求大間距的天線陣列，預(yù)編碼矩陣更關(guān)注分集增益，需要根據(jù)瞬時(shí)的信道變化進(jìn)行調(diào)整和適配，以盡可能獲得空間信道的正交性。物理下行共享信道的主要傳輸模式都是通過(guò)預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)的，可以根據(jù)信道條件，對(duì)發(fā)送信號(hào)的空間特性進(jìn)行優(yōu)化，使發(fā)送信號(hào)的空間分布特性與信道條件相匹配。波束賦形則要求小間距的天線陣列，利用空間信道的強(qiáng)相關(guān)性及波的干涉原理，產(chǎn)生強(qiáng)方向的輻射方向圖，將輻射方向圖自適應(yīng)地指向用戶的來(lái)波方向，以提高接收端的信噪比，提高系統(tǒng)容量或覆蓋范圍。它的權(quán)值只需匹配來(lái)波方向和路徑損耗的信道慢變化。

3.1 預(yù)編碼技術(shù)

預(yù)編碼是根據(jù)信道并行傳輸流數(shù)量，將有限的發(fā)射功率分配給能夠有效傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流，從而避免發(fā)射功率的浪費(fèi)，將數(shù)據(jù)流進(jìn)行處理并映射到物理天線上。根據(jù)MIMO模式的不同，具體的映射方式也不同。根據(jù)空間信道狀態(tài)，在發(fā)射端自適應(yīng)地改變預(yù)編碼矩陣，調(diào)整發(fā)射信號(hào)，將發(fā)射功率集中到信道的特征方向，以獲得更高的性能增益。根據(jù)預(yù)編碼矩陣特征不同，預(yù)編碼分為線性預(yù)編碼和非線性預(yù)編碼兩種。由于非線性預(yù)編碼非線性復(fù)雜度高、譯碼算法復(fù)雜，一般選擇線性預(yù)編碼。根據(jù)預(yù)編碼矩陣獲取方式的不同，預(yù)編碼分為基于碼本和基于非碼本的兩類操作方式。第一類，基于碼本的預(yù)編碼。預(yù)編碼矩陣只能從碼本中選取，碼本的內(nèi)容發(fā)送/接收兩端都是已知的，不需要對(duì)發(fā)送/接收兩端對(duì)稱性進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)上行傳輸能力也沒有要求。預(yù)編碼矩陣在接收端得到，通過(guò)預(yù)編碼矩陣序號(hào)（PMI）反饋發(fā)送端，適用于頻分雙工。第二類，基于非碼本的預(yù)編碼。它利用信道的互易性，根據(jù)上行信道信息獲取下行信道信息，進(jìn)行矩陣分解，生成預(yù)編碼矩陣。因此，不對(duì)預(yù)編碼矩陣限制，可以是任何符合設(shè)計(jì)規(guī)則與應(yīng)用條件限制的矩陣。預(yù)編碼矩陣在發(fā)射端得到，通過(guò)預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)信息（CSI）進(jìn)行預(yù)編碼矩陣計(jì)算，適用于時(shí)分雙工。典型的預(yù)編碼設(shè)計(jì)準(zhǔn)則有最小奇異值準(zhǔn)則（MSV）、均方誤差準(zhǔn)則（MSE）、最大容量準(zhǔn)則（MC）和最大似然準(zhǔn)則（ML）等。

3.2 波束賦形技術(shù)

波束賦形是補(bǔ)償無(wú)線傳播過(guò)程中由空間損耗、多徑效應(yīng)等因素引入的信號(hào)衰落與失真，形成對(duì)基帶信號(hào)的最佳組合或分配，降低同信道用戶間的干擾。

根據(jù)信道信息獲取方式，波束賦形可分為基于波束賦形的碼本反饋方式和基于波束賦形的非碼本反饋方式兩種方式。其中，碼本反饋方式是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的固定波束賦形技術(shù)。它利用反饋信息對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，使用的碼本已知，波束方向是固定的，不需要任何特定的導(dǎo)頻來(lái)區(qū)分用戶。由于受反饋時(shí)延的影響，它適用于低速場(chǎng)景。非碼本反饋方式是一種自適應(yīng)波束賦形技術(shù)，利用上行信道信息對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，不需要反饋信道提供信息，每個(gè)天線陣元的權(quán)值可以通過(guò)上行信道自行估計(jì)得到，處理時(shí)延較大，適用于低速場(chǎng)景。

根據(jù)所需先驗(yàn)知識(shí)，波束賦形又可分為基于波達(dá)方向（DoA）的波束賦形、基于參考信號(hào)的波束賦形和盲波束賦形三種類型。第一類，基于波達(dá)方向（DoA）的波束賦形，是一種通過(guò)估計(jì)信號(hào)的到達(dá)角（DoA），利用DoA信息生成發(fā)射權(quán)值，使發(fā)射波束主瓣對(duì)準(zhǔn)最佳路徑方向的一種波束賦形方法。典型的波束賦形算法有GOB算法（Grids of Beams）、EBB算法（Eigen Based Beamforming）、多重信號(hào)分類（MUSIC）算法和基于旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法（ESPRIT）算法等。GOB算法是基于空間參數(shù)模型的算法，通過(guò)劃分空間區(qū)域，計(jì)算接收信號(hào)功率，找到最大功率對(duì)應(yīng)的區(qū)域，確定賦形角度，實(shí)現(xiàn)下行信道指向性發(fā)射，一般用于固定用戶。EBB算法是一種自適應(yīng)的波束賦形算法，通過(guò)對(duì)空間相關(guān)矩陣進(jìn)行特征值的分解得到權(quán)矢量。當(dāng)用戶在小區(qū)中移動(dòng)時(shí)，它通過(guò)測(cè)量確定用戶信號(hào)到達(dá)方向（DoA），選取預(yù)先設(shè)定的波束賦形系數(shù)進(jìn)行加權(quán)，改變信道的特性，形成特定的波束，將方向圖的主瓣指向用戶方向，從而提高用戶的接收信噪比。而MUSIC算法和ESPRIT算法是利用空間協(xié)方差矩陣的特征向量來(lái)構(gòu)造信號(hào)子空間與噪聲子空間。由于它們相互正交或信號(hào)矢量經(jīng)旋轉(zhuǎn)后空間參數(shù)不變，從而利用這兩個(gè)互補(bǔ)空間之間的正交特性來(lái)估計(jì)空間信號(hào)的方位?？臻g譜中的峰值位置對(duì)應(yīng)信號(hào)的來(lái)波方位，大大提高了測(cè)向分辨率，同時(shí)適應(yīng)于任意形狀的天線陣列，但這兩種方法都建立在不相干信號(hào)模型基礎(chǔ)上。以上這些算法在實(shí)際工程中都得到了廣泛應(yīng)用。第二類，基于參考信號(hào)的波束賦形，不需知道到達(dá)方向（DoA）、陣列流形等先驗(yàn)知識(shí)，利用參考信號(hào)達(dá)到信道期望信號(hào)的估計(jì)，但實(shí)際上參考信號(hào)是不容易獲取的，因此實(shí)際應(yīng)用中存在很大局限性。第三類，盲波束賦形，也不需要知道到達(dá)方向（DoA）、陣列流形、訓(xùn)練序列、導(dǎo)頻信號(hào)和信號(hào)自相關(guān)矩陣等先驗(yàn)知識(shí)，利用信道潛在的結(jié)構(gòu)特征或者輸入信號(hào)的特征達(dá)到信道期望信號(hào)的估計(jì)。這種方法復(fù)雜度高、收斂速度慢，適用于慢衰落的信道。典型的有恒模算法（CMA）、頻譜自相關(guān)算法（SCORE）和循環(huán)波束賦形算法（CAB）等。

4 主要優(yōu)勢(shì)與問題

4.1 主要優(yōu)勢(shì)與特色

4.1.1 高抗干擾性

由于采用多天線MIMO技術(shù)具有空間分集、空間復(fù)用和發(fā)射分集的作用，因此通過(guò)空間分集技術(shù)抵消多徑衰落，提高信道的可靠性，降低信道誤碼率；通過(guò)空間復(fù)用技術(shù)大大提高信道容量，提高信道的可靠傳輸；通過(guò)發(fā)射分集技術(shù)提高信道的可信傳輸。它的核心技術(shù)是采用空時(shí)編碼技術(shù)、波束賦形技術(shù)等對(duì)抗信道多徑衰落，實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。這也是MIMO+OFDM能夠取代CDMA成為寬帶移動(dòng)無(wú)線傳輸解決抗干擾方案的最重要原因。另外，通過(guò)引入保護(hù)間隔和循環(huán)前綴，在保護(hù)間隔大于最大多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況下，可以最大限度得消除多徑帶來(lái)的符號(hào)間干擾（ISI）以及信道間干擾（ICI）。

4.1.2 高頻譜效率

從表1可以看出，在MIMO 2*2條件下，頻譜效率可達(dá)到5 bit/s/Hz；在MIMO 4*4條件下，頻譜效率可達(dá)到16 bit/s/Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單載波頻譜效率。這主要得益于采用了OFDM技術(shù)和快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)。FFT技術(shù)使各子載波間可部分重疊，理論上可以接近奈奎斯特極限且保持相互正交，接收時(shí)通過(guò)相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出來(lái)，頻譜效率提高近一倍。因此，OFDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各用戶間的正交性，有效避免用戶間干擾，獲得高的頻譜效率；而MIMO技術(shù)能夠在不增加額外功率或者帶寬的前提下，通過(guò)提供空分復(fù)用增益增加系統(tǒng)容量，通過(guò)不同的發(fā)射天線，使系統(tǒng)容量呈線性增長(zhǎng)。

4.1.3 高覆蓋范圍

采用多天線MIMO技術(shù)，接收信號(hào)是對(duì)所有天線陣元上的信號(hào)進(jìn)行相干合并的疊加之和，可以獲得天線陣列或波束賦形的額外高增益。它正比于接收天線的數(shù)目，大幅增加了接收端的信噪比，從而擴(kuò)大了覆蓋范圍。另外，高寬帶性也使其網(wǎng)絡(luò)連通性更加易構(gòu)與暢通，便于多級(jí)組網(wǎng)與中繼，覆蓋范圍可以大幅延伸。

4.1.4 帶寬擴(kuò)展容易

從表1可以看出，信道帶寬可以選擇1.4 MHz、3 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、100 MHz等。信號(hào)帶寬取決于所用子載波的數(shù)量，即占用子載波數(shù)量少，信道帶寬就窄；占用子載波數(shù)量越多，信道帶寬就越寬。因此，系統(tǒng)具有良好的帶寬擴(kuò)展能力，并且很容易通過(guò)FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

4.1.5 資源分配容易

系統(tǒng)中頻域資源最小粒度為一個(gè)子載波，子載波寬度的確定要兼顧系統(tǒng)效率和移動(dòng)性，考慮信令開銷和增益的折中，能夠靈活選擇適合的子載波進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的頻域資源分配，以充分利用頻率分集、頻率選擇及多用戶分集，獲得更好的系統(tǒng)性能。

4.1.6 OFDM與MIMO結(jié)合容易

在平坦衰落信道中，多天線MIMO技術(shù)可以利用傳播中的多徑分量；而在頻率選擇性衰落信道中，其復(fù)雜度大大增加，性能有較大損失。在OFDM系統(tǒng)中，每個(gè)子載波信道可看作平坦衰落信道，引入多天線MIMO技術(shù)所帶來(lái)的額外復(fù)雜度可以控制在較低水平，其復(fù)雜度則隨天線數(shù)量呈線性增加；而在單載波MIMO系統(tǒng)中，其復(fù)雜度與天線數(shù)量和多徑數(shù)量的乘積的冪成正比，復(fù)雜度高。所以，MIMO與OFDM在寬帶系統(tǒng)中更容易結(jié)合，且能獲得更高的頻譜效率。

4.2 主要問題與缺陷

4.2.1 峰均比（PAPR）問題

MIMO+OFDM系統(tǒng)處理的是頻域信號(hào)，信息需要通過(guò)若干個(gè)子載波發(fā)送。在任一時(shí)刻，時(shí)域信號(hào)為若干個(gè)子載波隨機(jī)信號(hào)疊加之和，因此會(huì)導(dǎo)致峰均比（PAPR）很高。峰均比高對(duì)前端放大器的線性要求就高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)射機(jī)功放成本和耗電量的增加。對(duì)于終端成本和耗電量受到限制的上行，也有較大影響。

4.2.2 頻率偏移問題

移動(dòng)系統(tǒng)中，用戶終端移動(dòng)或作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起相對(duì)碼相位的變化；電波傳播中的多徑效應(yīng)也會(huì)引起相位、載波中心頻率相位的變化。這些都會(huì)帶來(lái)頻率偏移，影響系統(tǒng)性能。在MIMO+OFDM系統(tǒng)中，子載波寬度比較窄，對(duì)符號(hào)定時(shí)和載波頻率偏差比較敏感，容易導(dǎo)致子載波之間正交性變差。因此，要綜合考慮子載波帶寬問題。若子載波過(guò)寬，會(huì)降低頻譜效率；若子載波過(guò)窄，會(huì)影響高速移動(dòng)時(shí)的性能。

4.2.3 信道估計(jì)問題

信道估計(jì)對(duì)性能影響很大，在獲得較高性能的同時(shí)應(yīng)盡可能減小開銷。當(dāng)天線陣元較多時(shí)，波束寬度比較窄。在多徑衰落、散射現(xiàn)象比較嚴(yán)重的環(huán)境下，在對(duì)來(lái)波方向DoA估計(jì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。因此，波束賦形增益將由于波束擴(kuò)展角度變寬而減小。

4.2.4 天線校正問題

為了準(zhǔn)確估算來(lái)波方向DoA，天線陣列系統(tǒng)需要在幅度和相位兩方面都進(jìn)行測(cè)量與校正。對(duì)于多天線來(lái)說(shuō)，相位的一致性是一個(gè)很大的問題，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。

5 發(fā)展趨勢(shì)與展望

5.1 向超寬帶化方向發(fā)展

向超寬帶化方向發(fā)展，信道帶寬向100 MHz、500 MHz拓展。根據(jù)香農(nóng)定理可知，信道容量與信道帶寬成正比。信道帶寬越寬，信道容量越大。合理的信道帶寬，可以大幅提升空中傳輸速率。而多載波技術(shù)和寬帶射頻技術(shù)為實(shí)現(xiàn)超寬帶化提供了技術(shù)支撐，是寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)展的重要方向和標(biāo)志。

5.2 向極高速化方向發(fā)展

向極高速化方向發(fā)展，傳輸速率向100 Mb/s、1 Gb/s、10 Gb/s進(jìn)軍。對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)用戶的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率可達(dá)100 Mb/s，對(duì)于低速運(yùn)動(dòng)用戶的目標(biāo)數(shù)據(jù)速率可達(dá)1 Gb/s，甚至10 Gb/s，從而最大限度地滿足動(dòng)態(tài)圖像、視頻、情報(bào)信息等大數(shù)據(jù)量實(shí)時(shí)傳輸及快速組網(wǎng)要求，而大規(guī)模MIMO技術(shù)和自適應(yīng)多流技術(shù)為實(shí)現(xiàn)極高速化提供了技術(shù)可能。

5.3 向高移動(dòng)性方向發(fā)展

向高移動(dòng)性方向發(fā)展。研究地面、海面、中高空長(zhǎng)航時(shí)，無(wú)人機(jī)、有人機(jī)等高速移動(dòng)平臺(tái)協(xié)同通信問題，突破高增益智能陣列天線技術(shù)、高效同步技術(shù)、動(dòng)態(tài)快速組網(wǎng)技術(shù)、動(dòng)態(tài)資源管理技術(shù)和自適應(yīng)接入技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，支持350 km/h以上高速移動(dòng)物體的快速接入和可靠通信。

5.4 向更高頻段方向發(fā)展

由于有限的頻譜資源，目前10 GHz以下頻段基本規(guī)劃已分配完，沒有多余頻段可用，需向毫米波和太赫茲更高的頻段延伸。這些頻段的最大優(yōu)勢(shì)就是寬帶寬，無(wú)需許可免費(fèi)使用的帶寬寬，可達(dá)近10 GHz甚至更高，可以實(shí)現(xiàn)極高速無(wú)線傳輸。因此，毫米波通信和太赫茲通信引起了人們的廣泛關(guān)注和高度重視，毫米波頻段在30～300 GHz范圍內(nèi)，毫米波移動(dòng)通信一般選擇在低端頻段，數(shù)十吉赫茲范圍內(nèi)。由于其波長(zhǎng)短、頻帶寬、體積小、速率超高和抗截獲能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以在很小的面積上使用大規(guī)模MIMO陣列天線和波束賦形技術(shù)形成高增益的方向性窄波束，克服多徑衰落和大的傳播損耗，有效解決高速寬帶無(wú)線接入面臨的許多問題。傳輸速率可達(dá)到10 Gb/s以上，具有極大的應(yīng)用前景，但也存在一些問題，主要表現(xiàn)為毫米波的傳輸衰減大、穿透能力差。在通信功率受限的情況下，通信有效覆蓋范圍影響較大。因此，要重點(diǎn)開展適應(yīng)新要求下的大規(guī)模MIMO陣列天線、混合波束賦形和預(yù)編碼搜素算法等關(guān)鍵技術(shù)研究。太赫茲頻段在0.1～10 THz范圍內(nèi)。太赫茲通信一般選擇在低端頻段，數(shù)百吉赫茲范圍內(nèi)。由于其波長(zhǎng)更短、頻帶更寬、體積更小、速率極高、抗截獲能力更強(qiáng)和穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在寬帶通信領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。與毫米波通信相比，太赫茲通信帶寬優(yōu)勢(shì)更加顯著，可達(dá)到100 Gb/s以上的極高傳輸速率，但存在大氣衰減嚴(yán)重、發(fā)射功率低、瞄準(zhǔn)相對(duì)困難等問題，主要用于近距離通信。這兩種通信方式比目前寬帶傳輸技術(shù)要快100倍甚至更高，是很好的寬帶信息載體，特別適合構(gòu)建寬帶寬、高容量、大范圍覆蓋、中繼與分發(fā)能力的陸基骨干網(wǎng)絡(luò)、空中骨干網(wǎng)絡(luò)或空中移動(dòng)熱點(diǎn)，延伸通信距離，增強(qiáng)吞吐能力，為聯(lián)合作戰(zhàn)提供支持。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前，MIMO+OFDM相結(jié)合的寬帶技術(shù)體制已經(jīng)商業(yè)化，技術(shù)十分成熟，但在戰(zhàn)術(shù)通信領(lǐng)域應(yīng)用還很少，不是很成熟，其高速化、寬帶化和移動(dòng)性符合未來(lái)戰(zhàn)術(shù)通信的發(fā)展方向，能夠有效對(duì)抗頻率選擇性衰落和載波間干擾，具有抗衰落和抗多徑干擾的能力。通過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)，覆蓋范圍會(huì)大幅增加，峰值速率比現(xiàn)役提高百倍以上，完全滿足對(duì)于圖像、視頻等大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸要求。而其高速移動(dòng)性、移動(dòng)隨遇接入能力更讓其展現(xiàn)優(yōu)良的戰(zhàn)術(shù)性能，是解決戰(zhàn)術(shù)通信移動(dòng)骨干網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 何明,姜志平,趙勇.美軍下一代高級(jí)戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)發(fā)展研究[J].指揮控制與仿真,2010,32(06):121-123. HE Ming,JIANG Zhi-ping,ZHAO Yong.Structural Development of The U.S. Next-generation Advanced Tactical Internet System[J].Command Control & Simulation,2010,32(06):121-123.

[2] 金紅軍.寬帶戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2014,47(09):1021-1026. JIN Hong-jun.Design and Implementation of Wideband Tactical Communications System Architecture[J]. Communications Technology,2014,47(09):1021-1026.

[3] 夏海清,楊若鵬.美軍作戰(zhàn)人員信息網(wǎng)（WIN-T）探析[J].國(guó)防科技,2015,36(03):77-80. XIA Hai-qing,YANG Ruo-peng.Analysis on the Warfighter Information Network-Tactical[J].National Defense & Technology,2015,36(03):77-80.

[4] 3GPP TS 36.300 v10.2.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Overall Description;Stage 2[S].3rd Generation Partnership Project,2010.

[5] 3GPP TS 36.401 v10.0.0 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN);Architecture description[S].3rd Generation Partnership Project,2010.

[6] 張新程,田韜,周曉津等.LTE空中接口技術(shù)與性能[M].北京:人民郵電出版社,2009. ZHANG Xin-cheng,TIAN Tao,ZHOU Xiao-jin,et al.LTE Air Interface Technology and Performance[M].Beijing:Publishing House of the People Posts and Telecommunications,2009.

[7] 王映民,孫韶輝.TD-LTE-Advanced 移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2012. WANG Ying-min,SUN Shao-hui.TD-LTE-Advanced Mobile Communications System Design[M].Beijing:Publishing House of the People Posts and Telecommunications,2012.

Development of Broadband Multi-antenna Wireless Transmission Technology

JIN Hong-jun
(No.50 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shanghai 200063, China)

At present, the tactical communication system, for its narrow bandwidth, low speed and poor mobility, including, selective fading caused by multipath propagation, and serious interference, which would result in the performance degradation, could not meet the growing demand for high speed data service. To solve these problems, the multi-antenna multi-carrier (MIMO+OFDM) technical system is proposed, its development status, basic principle and key technology decribed, and main advantages, characteristics and existing problems discussed, and the system with even higher bandwidth, higher speed, higher mobility and higher frequency would become the trend of development and the direction of key application research. And all these would greatly promote the great-leap-forward development of tactical communication.

tactical communication; multi-antenna; MIMO+OFDM technology; precoding; beamforming

TN929.53；TN915.851

A

1002-0802(2016)-12-1575-07

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.001

2016-08-24

2016-11-22 Received date:2016-08-24;Revised date:2016-11-22

金紅軍（1963—），男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)閼?zhàn)術(shù)通信與無(wú)線傳輸技術(shù)。