MIMO天線(xiàn)3種技術(shù)及應用場(chǎng)景分析

BLAST算法是貝爾實(shí)驗室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應用于MIMO系統中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗室的G.J.Foschini于1996年提出的。對于D-BLAST算法，原始數據被分為若干子數據流，每個(gè)子流獨立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線(xiàn)。D-BLAST的好處是每個(gè)子流的數據都可以通過(guò)不同的空間路徑到達接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復雜度太大，難以實(shí)際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時(shí)解碼，而是先對最強信號進(jìn)行解碼，然后在接收信號中減去最強信號，再對剩余信號中最強信號進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一個(gè)BLAST芯片在貝爾實(shí)驗室問(wèn)世，這標志著(zhù)MIMO技術(shù)走向商用的開(kāi)始。

1.3 波束成型技術(shù)

波束成型技術(shù)又稱(chēng)為智能天線(xiàn)，通過(guò)對多個(gè)天線(xiàn)輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權，使信號在某個(gè)方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現信號的增益。

當系統發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)(如TDD系統)，系統會(huì )根據信道狀態(tài)調整每個(gè)天線(xiàn)發(fā)射信號的相位(數據相同)，以保證在目標方向達到最大的增益;當系統發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機波束成形方法實(shí)現多用戶(hù)分集。

2 3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應用場(chǎng)景

空間復用能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無(wú)法使用高階調制方式(如16QAM等)。

無(wú)線(xiàn)信號在密集城區、室內覆蓋等環(huán)境中會(huì )頻繁反射，使得多個(gè)空間信道之間的衰落特性更加獨立，從而使得空間復用的效果更加明顯。

無(wú)線(xiàn)信號在市郊、農村地區，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復用的效果要差許多。

對發(fā)射信號進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無(wú)線(xiàn)環(huán)境下使用高階調制方式，但無(wú)法獲取空間并行信道帶來(lái)的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無(wú)線(xiàn)相關(guān)性較大的場(chǎng)合也能很好地發(fā)揮效能。

因此，在MIMO的實(shí)際使用中，空間復用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結合使用。當信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復用的發(fā)射方案，例如密集城區、室內覆蓋等場(chǎng)景;當信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農村地區。這也是3GPP在FDD系統中推薦的方式。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統。

依據文獻[4]，波束成型技術(shù)不適合密集城區、室內覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會(huì )收到太多路徑的信號，導致相位疊加的效果不佳;另一方面，大量的多徑信號會(huì )導致DOA信息估算困難。

3 二重接收分集技術(shù)的數據速率提升作用

3G(WCDMA)室內空間二重分集接收的實(shí)測數據速率，也可說(shuō)明多天線(xiàn)作用。室內分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關(guān)的規劃設計人員應該思考在大樓內建3G基站，該花的錢(qián)，如基站主設備、物業(yè)、管道、基房、配套電源及空調等等加起來(lái)恐怕不會(huì )少于10萬(wàn)元，但僅僅缺少一路主饋線(xiàn)(200 m 0.6萬(wàn)元)不能用于分集(注意，原2天線(xiàn)1~2之間8 m沒(méi)有分集)，現改為分集，使得系統數據容量翻倍。

4 不強不弱的均勻信號覆蓋對數據速率的影響

在3G/4G技術(shù)中，MIMO技術(shù)理論上為數據實(shí)現高階調制，但是在實(shí)際覆蓋區內信號太強或太弱都不可能實(shí)現數據高階調制，只有不強不弱的均勻信號才能采用數據高階調制，從而得到數據速率的提升。

4.1 泰爾實(shí)驗室實(shí)測數據[5]

泰爾實(shí)驗室實(shí)測WLAN(OFDM)數據速率與場(chǎng)強關(guān)系見(jiàn)表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi設備性能

京信公司無(wú)線(xiàn)傳輸與接入事業(yè)部提供的A8 Super Wi-Fi設備性能見(jiàn)表3。

實(shí)際工程為了90%無(wú)線(xiàn)覆蓋區可接入系統，應有8dB陰影衰落儲備，因此其覆蓋電平對應數據速率應如表3所示。

4.3 結論

從表2和表3可看出當接收機輸入電平為-82dBm時(shí)，數據速率僅為6 Mbit/s，當接收機輸入電平為-65dBm時(shí)，數據速率達到54 Mbit/s，數據速率提升9倍，說(shuō)明未來(lái)LTE基站邊界電平應取-75dBm，而不是2G時(shí)代的-85dBm。

5 未來(lái)MIMO天線(xiàn)建設模式

將可能有2種天線(xiàn)建設模式：即2G/3G時(shí)代的宏基站天線(xiàn)建設模式和分布式天線(xiàn)建設模式。

5.1 宏基站天線(xiàn)建設模式

宏基站天線(xiàn)建設模式如圖5所示，將MIMO天線(xiàn)放在3扇區中心的30 m高塔上。圖6示出的是宏基站覆蓋信號電平分布示意圖。

5.2 分布式天線(xiàn)建設模式

圖7示出的是文獻[3]給出的建設模式。圖7中1+6個(gè)近遠端覆蓋范圍等于1個(gè)宏基站覆蓋范圍。覆蓋區內采取小功率、多天線(xiàn)的模式進(jìn)行覆蓋。天線(xiàn)掛高不宜過(guò)高(8m左右);室外天線(xiàn)口功率為15~30dBm;市區天線(xiàn)覆蓋半徑在150 m以?xún)取?center>