MIMO技術(shù)在移動(dòng)WiMAX中的應用

MIMO(MultipleInputMultipleOutput，多輸入多輸出)技術(shù)是下一代通信技術(shù)的一個(gè)重要突破，本文依據華為的系統仿真研究結果和外場(chǎng)實(shí)際測試結果，從網(wǎng)絡(luò )覆蓋增強、系統容量提升和降低建網(wǎng)成本等角度，對MIMO技術(shù)在移動(dòng)WiMAX系統中的應用進(jìn)行探索和分析。

近年來(lái)，全球基于傳統線(xiàn)纜技術(shù)的寬帶用戶(hù)快速增長(cháng)，3G移動(dòng)用戶(hù)數也在穩步增長(cháng)。市場(chǎng)對于移動(dòng)寬帶的需求正在快速增加，這為無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)提供了巨大的市場(chǎng)空間。

WiMAX802.16e正越來(lái)越多地被運營(yíng)商采用為首選的固定和移動(dòng)寬帶接入策略，為終端用戶(hù)提供豐富的高寬帶多媒體業(yè)務(wù)。這些策略對運營(yíng)商的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提出了極大的挑戰。為了建立和維持贏(yíng)利的商業(yè)模式，需要對網(wǎng)絡(luò )容量、用戶(hù)吞吐量、網(wǎng)絡(luò )覆蓋質(zhì)量作較大的改進(jìn)。MIMO多天線(xiàn)技術(shù)的應用，使802.16e能夠應對這些挑戰，從而有力推動(dòng)WiMAX網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展。

MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)，信號通過(guò)發(fā)射端和接收端的多個(gè)天線(xiàn)傳送和接收，從而改善每個(gè)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量。MIMO技術(shù)對于傳統的單天線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無(wú)線(xiàn)頻帶下傳輸更高速率的數據業(yè)務(wù)。N根發(fā)射天線(xiàn)和M根接收天線(xiàn)的MIMO系統框圖如下圖所示。

N根發(fā)射和M根接收MIMO的系統示意圖

WiMAX802.16e定義了三種可選的MIMO方式，分別是STTD(SpacetimeTransmit Diversity , 空時(shí)發(fā)射分集)、SM(Spatial Multiplexing, 空分復用)和自適應切換方式，同時(shí)定義了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3種編碼矩陣。華為公司W(wǎng)iMAX 802.16e系統目前已全面支持Matrix A，并將在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。

WiMAX802.16e系統中，MIMO技術(shù)與OFDMA技術(shù)結合使用，可以大幅提高網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力，使WiMAX系統容量倍增，從而大幅降低網(wǎng)絡(luò )建設成本和維護成本，有力推動(dòng)了移動(dòng)WiMAX發(fā)展。

與OFDMA完美結合

MIMO可以應用于所有的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。在WiMAX802.16e系統中，MIMO和OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交頻分復用接入) 的完美結合，更能體現出MIMO的技術(shù)優(yōu)勢。

MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍然無(wú)能為力，其他通信系統一般采用均衡技術(shù)來(lái)解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落。WiMAX的OFDMA技術(shù)可以很好地克服頻率選擇性衰落。下一代移動(dòng)通信需要高的頻譜利用率技術(shù)，但OFDMA提高頻譜利用率的能力畢竟有限。結合MIMO技術(shù)，可以在不增加系統帶寬的情況下進(jìn)一步提高頻譜效率。MIMO+ OFDMA技術(shù)既可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過(guò)分集達到很強的可靠性和增強系統的穩定性。另外，OFDMA由于碼率低和加入了時(shí)間保護間隔而具有很強的抗多徑干擾能力，多徑時(shí)延小于保護間隔使系統不受碼間干擾的影響，這樣就可以使單頻網(wǎng)絡(luò )使用寬帶OFDMA系統依靠MIMO技術(shù)消除陰影效應，真正實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫覆蓋。

大幅提高網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力

WiMAX802.16e由于采用較高的工作頻段，傳播損耗比其他移動(dòng)通信系統高，如何擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力也是WiMAX面臨的挑戰之一。MIMO技術(shù)在 WiMAX系統的應用，可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò )覆蓋能力。MIMO在分集模式下，通過(guò)分集增益增加小區覆蓋半徑;在復用模式下，通過(guò)提升小區邊緣速率獲得的分集增益來(lái)提升小區覆蓋半徑;在自適應切換模式下，小區邊緣工作在分集模式下，覆蓋增益與僅分集模式相同。通過(guò)華為公司的系統仿真結果表明，在分集或自適應切換模式下，2T2R(2Transmit2 Receive，兩路發(fā)射兩路接收)MIMO相比SISO(Single Input Single Output，單輸入單輸出)有2～10dB的覆蓋增益，覆蓋半徑增加50%～90%;僅復用模式下，在小區邊緣可以間接獲得3～5dB的覆蓋增益。另外 MIMO還可以有效提高小區邊緣覆蓋概率。

2007年8月，在日本東京，華為與當地運營(yíng)商J:COM一起對MIMO的實(shí)際使用效果進(jìn)行了測試。測試結果表明，采用MIMOMatrixA技術(shù)可以有效提高WiMAX802.16e系統的覆蓋半徑，可以大幅減少網(wǎng)絡(luò )建設所需要的基站數目。

使系統容量倍增

WiMAX802.16e系統可提供極高的數據吞吐量和移動(dòng)性，讓用戶(hù)能夠隨時(shí)在線(xiàn)，即使處于移動(dòng)狀態(tài)也能獲得真正的寬帶體驗。MIMO技術(shù)在復用模式下，可以成倍提高系統吞吐量和頻譜效率，并可以成 倍提高單用戶(hù)峰值速率;在分集模式下，通過(guò)增加高階調制方式的比例來(lái)提高系統吞吐量和頻譜效率;在自適應切換模式下，小區中心工作在復用模式，小區邊緣工作在分集模式，因此系統吞吐量和頻譜效率增強效果介于兩者之間。OFDMA和MIMO技術(shù)的應用，使 WiMAX802.16e系統能夠最大程度地提高頻譜效率，提供高品質(zhì)移動(dòng)視頻和電視業(yè)務(wù)所需的高速度和高帶寬。

華為公司的系統仿真結果表明，采用MIMO2×2MatrixB技術(shù)后，可以提升WiMAX 16e系統吞吐量約30%～60%，同時(shí)可以成倍提高用戶(hù)的峰值速率，保證WiMAX用戶(hù)獲得更好的業(yè)務(wù)體驗。

大幅降低網(wǎng)絡(luò )建網(wǎng)和維護成本

在密集城區和CBD區域，高端用戶(hù)多，對系統吞吐量和峰值速率要求高，容易出現容量受限的情況。采用MIMOMatrixB技術(shù)后，WiMAX系統下行容量提升55%，上行容量提升33%;在容量受限場(chǎng)景，基站數目將減少25%左右。相比其他多天線(xiàn)技術(shù)如AAS(Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System，自適應天線(xiàn)系統，也稱(chēng)作先進(jìn)天線(xiàn)系統),MIMO在密集城區

的容量增益優(yōu)勢更為明顯，可以有效降低高話(huà)務(wù)區域的建網(wǎng)成本或擴容成本。

對于覆蓋受限場(chǎng)景，采用MIMO技術(shù)可以增加50%以上的覆蓋半徑，使單站點(diǎn)覆蓋面積增加近100%，在一定覆蓋面積下可節省40%～60%的基站數目。在郊區和農村區域引入MIMO，可實(shí)現最少基站的最大覆蓋，大幅降低初始建網(wǎng)成本。

另外，在安裝和維護方面，AAS天線(xiàn)最少為4波束天線(xiàn)，需要較高的天線(xiàn)安裝空間;AAS天線(xiàn)相比傳統天線(xiàn)，所需饋線(xiàn)大大增加，增加工程量，同時(shí)鐵塔走線(xiàn)架的寬度也得加寬;AAS采用的天線(xiàn)重量大，對安裝承載能力要求提高;另外AAS天線(xiàn)體積較大，防風(fēng)能力差，抗風(fēng)阻性要求高，不適合在風(fēng)力大或者是臺風(fēng)多發(fā)區域使用。MIMO相比AAS，需要的天線(xiàn)數目少，一根普通的±45度雙極化的天線(xiàn)就可以支持2×2MIMO，對天線(xiàn)安裝空間和承重要求低，容易部署、維護，可有效節省天線(xiàn)安裝成本和維護成本。

結束語(yǔ)

隨著(zhù)寬帶數據用戶(hù)和移動(dòng)通信用戶(hù)的迅速發(fā)展，以及從窄帶語(yǔ)音通信向寬帶高速數據通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò )容量，如何在一定的站點(diǎn)數目下提升網(wǎng)絡(luò )覆蓋性能，成為將來(lái)通信網(wǎng)絡(luò )建設中需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。WiMAX802.16e系統引入MIMO多天線(xiàn)技術(shù)，并與OFDMA進(jìn)行完美結合，通過(guò)增強系統在空間上的分辨能力，提高頻譜利用率并提升網(wǎng)絡(luò )的容量和覆蓋性能，從而降低網(wǎng)絡(luò )建設成本和維護成本，使WiMAX802.16e逐漸成為最有競爭力的無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)。