多路天线技术

对移动宽带高速数据服务和可靠语音服务的需求越来越大。对此,移动运营商不断提高其频谱效率,增大网络容量,降低网络总 OPEX,增强网络服务的鲁棒性。多路天线技术即多输入多输出 (MIMO) 提高了频谱效率,被广泛应用于现代无线系统中。

全向和分扇区天线系统

干扰受限系统

在信道拥挤的情况下,提升基站传输功率或者使用高阶调制技术来提高数据流吞吐量会劣化系统容量和信号完整性,这是因为干扰增大了。这些系统被称为干扰受限系统 。

例如,当基站使用全向天线 (参见图1a) 时,每一用户的发送/接收信号成为位于同一小区中其他用户的干扰源。因此,总系统成为干扰受限系统。扇形天线能够有效地降低干扰;小区被分成具有独立天线的多个扇区,如图 1b 所示。所有现代无线系统,至少使用分扇区技术来降低干扰,提高容量。

全向和扇区天线系统

分扇区天线,即使是采用了频率分割技术,也是多路天线技术的一种静态形式。高级多路天线即 MIMO 技术—例如,自适应聚束、空分多址 (SDMA) 和空时编码 (STC) 等,应用于目前的无线系统中,今后也会用于未来的无线基础设施系统中。

聚束

聚束是一种高级多路天线技术,进一步降低了干扰电平,提高了系统容量。采用这一技术,每一用户的信号只向同一频带内某一用户所在方向进行发送和接收。结合高级(智能)信号处理解决方案,聚束技术显著的降低了总干扰。图 2 所示为含有天线阵的聚束系统实例。

在聚束时,每个用户的信号与复杂权重进行相乘,权重用于调节天线所接收和发出信号的幅度和相位。因此,天线阵列输出在所需方向形成了收发光束,最大限度减少了其他方向的输出。

空分复用接入 (SDMA)

与聚束类似,SDMA 在包括现有多个独立路径的信道场景中,通过空间复用和/或分集创建并行空间管道。该方法可提供卓越的系统性能和吞吐量。通过使用智能天线技术和单元中移动用户的不同空间位置,SDMA 可将系统从推理受限转换为噪音受限,大幅提升信道频谱效率。

空时编码 (STC)

使用 STC 的 MIMO 架构能够以正交或非正交方式将数据流编码至空间和时间模式,该技术有时被称为分集编码。通过传输相同数据的多个副本(每个副本具有不同代码),接收器中的信号处理技术可最大限度提高信号质量,提供高于非 MIMO 架构的频谱效率。

借助英特尔® FPGA 实施 MIMO

英特尔® Arria® 和英特尔® Stratix® 系列 FPGA 采用了高性能数字信号处理 (DSP) 模块和逻辑单元 (LE),适用于智能天线技术应用。此外,双核 ARM* Cortex*-A9 MPCore* 处理器和/或 NEON* 加速单元可实施自适应 DSP 算法。

许多聚束架构和自适应算法可在不同场景中实现卓越性能,如收发自适应聚束和收发交换聚束。借助嵌入式处理器和易于使用的开发工具,如面向英特尔® FPGA 的 DSP Builder 和 Platform Designer(前身为 Qsys),英特尔® FPGA 支持高度灵活地实施自适应信号处理算法。

随着复杂多路天线技术的采用,下一代网络标准在不断演变,增加了 ASIC 实施的风险。英特尔® FPGA 支持远程升级和扩展,因此可缩短上市时间,降低行业标准演变给高效解决方案设计带来的风险,同时提供逐步部署更多 MIMO 方案的选项。

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