智能天線(xiàn)技術(shù)MIMO廣域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用分析
加入技術(shù)交流群
促使MIMO在局域網(wǎng)領(lǐng)域取得成功的許多局域網(wǎng)固有特性與廣域網(wǎng)環(huán)境有著(zhù)很大的區別，因此我們必須謹慎地對待這種在不同應用中的轉變。在下面對廣域網(wǎng)MIMO應用的簡(jiǎn)要說(shuō)明中，我們將重點(diǎn)突出干擾和有限散射特性，這二者是最重要的區別，也是實(shí)現中需要著(zhù)重考慮的因素。對無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商來(lái)說(shuō)有個(gè)好消息，即在廣域網(wǎng)中確實(shí)可以實(shí)現MIMO的大部分理論增益，條件是采用具有網(wǎng)絡(luò )意識(network-aware)的解決方案，這樣的方案能夠減少多蜂窩環(huán)境中的干擾，并保持受限散射條件下的運行穩定性。另外值得注意的是，由于無(wú)需對現有無(wú)線(xiàn)協(xié)議作任何修改就能獲得這些性能增益，因此廣域網(wǎng)中的MIMO要比一般想象的更容易實(shí)現。
定義MIMO技術(shù)
由于用戶(hù)端設備對成本具有較大的敏感性，因此在目前商業(yè)廣域網(wǎng)中的智能天線(xiàn)配置只是在鏈路的基站側使用多幅天線(xiàn)，而客戶(hù)端設備只有一幅天線(xiàn)。隨著(zhù)改善廣域網(wǎng)經(jīng)濟的壓力不斷增大，以及客戶(hù)端設備芯片集成度提高，以及對客戶(hù)端增加智能天線(xiàn)處理的邊緣成本的降低，運營(yíng)商對在鏈路兩端都使用智能天線(xiàn)的解決方案興趣也越來(lái)越大。
圖1：在基站(BS)和客戶(hù)設備(CD)之間具有兩條主導傳播路徑的無(wú)線(xiàn)信道，如圖中箭頭所示，該信道疊加在基站標稱(chēng)的120°扇區傳送圖案上。
兩端同時(shí)用多幅天線(xiàn)將可以采用許多新的傳輸技術(shù)，這些技術(shù)在僅單端使用多幅天線(xiàn)的系統中是不可行的，在大多數情況下應用這些技術(shù)將提供更多的系統性能增益。
業(yè)界對智能天線(xiàn)的討論，包括對用于各種不同實(shí)現中的術(shù)語(yǔ)有完全不同的定義，因此有必要簡(jiǎn)要介紹分類(lèi)適用方法。先來(lái)看最簡(jiǎn)單的例子，考慮在鏈路的每端都只有一幅天線(xiàn)的某個(gè)系統，雖然信號向所有方向(一般在120°扇區內)發(fā)送，但某個(gè)具體的無(wú)線(xiàn)信道可能只有兩條主導路徑，如圖1所示。本文所示例子是一個(gè)高位基站與一個(gè)路面的低位移動(dòng)手機(更廣泛地說(shuō)是“客戶(hù)設備”，因為有可能是移動(dòng)計算平臺)之間的通信，大部分接收信號來(lái)自于鄰近建筑物的反射。這是一個(gè)單輸入單輸出(SISO)的信道。[注：在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域中所說(shuō)的術(shù)語(yǔ)“輸入”和“輸出”是針對信道本身而言的，并非以信道兩端的設備為參考]
本文討論的是最簡(jiǎn)單的，也是目前最常見(jiàn)的智能天線(xiàn)。如果接收器有一幅以上的天線(xiàn)，那么它能智能地組合來(lái)自不同天線(xiàn)接收到的信號，并識別出信號確實(shí)是來(lái)自?xún)蓚€(gè)主要方向。它具有這個(gè)功能的原因是因為兩條路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征(spatial signature)。由于接收器能識別這兩種不同的空間特征，因此它能組合來(lái)自?xún)蓚€(gè)天線(xiàn)的信號，并將二者累加起來(lái)形成更強的組合信號。這種方式被稱(chēng)為單輸入[到信道1]多輸出[自信道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術(shù)被廣泛用于2G和現在的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò )的鏈路基站側。
反過(guò)來(lái)，如果發(fā)送器有多幅天線(xiàn)，而接收器只有一幅天線(xiàn)，信號將仍沿相同的路徑傳播，因為物理環(huán)境沒(méi)變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱(chēng)為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相比，MISO的最大不同在于信號組合必須在發(fā)送端完成，而不是在接收端。通過(guò)仔細調整發(fā)送天線(xiàn)，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統，這種系統的基站側有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和發(fā)送(工作在MISO模式)的天線(xiàn)。
在鏈路兩端提供多幅天線(xiàn)的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發(fā)送器可以通過(guò)調整它的天線(xiàn)以讓圖2中藍色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送，而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因為接收器也有多幅天線(xiàn)，因此它可以通過(guò)檢測不同的空間特征把兩條流分開(kāi)來(lái)。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個(gè)完全不同的數據流，從用戶(hù)看來(lái)相當于將數據速率提高了一倍。與單獨的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢，這種MIMO優(yōu)勢的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會(huì )降低單天線(xiàn)鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會(huì )提高信道效率和質(zhì)量。
MIMO系統能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數，對這一點(diǎn)的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線(xiàn)，但只有兩條主導路徑。在這種情況下即使有4幅天線(xiàn)也只能形成兩條數據流。因此MIMO性能與系統應用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關(guān)。幸運的是，在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個(gè)并行數據流的散射和多徑傳播。
信息理論的研究表明，如果鏈路兩端都使用多幅天線(xiàn)，那么代表了數據速率上限的系統容量將隨天線(xiàn)數量的增加而呈線(xiàn)性增長(cháng)(在確定的信道前提下，并保持整體功率不變)。具有相同數量發(fā)送和接收天線(xiàn)的不同MIMO系統的理論容量如圖3所示，8×8
MIMO系統(即鏈路的每端有8幅天線(xiàn))的容量最多可以達到單天線(xiàn)系統容量的8倍?？紤]所有的網(wǎng)絡(luò )的運營(yíng)和資本開(kāi)支，MIMO技術(shù)提供的性能和經(jīng)濟效益要比單天線(xiàn)系統高出許多。特別是對于高數據速率的業(yè)務(wù)，比如真正的寬帶接入、IPTV和大型文件傳輸，在這些應用中受限的帶寬會(huì )引起嚴重的問(wèn)題，而MIMO技術(shù)則是很有前途的一種解決方案。
圖2：具有兩個(gè)主導傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶(hù)數據速率加倍。值得注意的是，多天線(xiàn)處理可以完成波束整形，從而使信號沿著(zhù)感興趣的信道傳播，而另外一個(gè)主導信道上不傳信號。
圖3的預測值只表征了理想系統的性能極限。信息理論對如何達到這些極限值沒(méi)有提供太多的實(shí)用性指導意見(jiàn)，實(shí)際系統面臨著(zhù)如何充分利用信道提供的空間維度的挑戰。大體上有三種主要推薦的信道利用方法，前兩種方法著(zhù)重單條鏈路的性能，第三種著(zhù)重整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能：
1. 提高數據速率
上文討論的技術(shù)(如圖2中所示)通常稱(chēng)為空間復用。對于有豐富散射環(huán)境的信道來(lái)說(shuō)，通過(guò)在每幅天線(xiàn)上發(fā)送獨立的信息流可以提高數據速率，使用較為成熟的接收器技術(shù)可以將不同的數據流分離開(kāi)來(lái)并進(jìn)行單獨解碼。例如使用4幅發(fā)送和4幅接收天線(xiàn)的系統容量將達到單天線(xiàn)系統的4倍。
2. 通過(guò)分集技術(shù)改善服務(wù)質(zhì)量
相反，如果在多幅天線(xiàn)多個(gè)符號(symbol)上發(fā)送相同的信號，那么就可以改善傳輸的可靠性，而不是提高數據速率。實(shí)際上在不同天線(xiàn)和不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)送多份信號拷貝的這種技術(shù)提供了空間-時(shí)間的分集。同時(shí)在空間和時(shí)間上傳播或編碼信息符號的技術(shù)被稱(chēng)為空間-時(shí)間編碼技術(shù)。
3. 通過(guò)減輕干擾獲得更高的數據速率和更好的服務(wù)質(zhì)量
MIMO系統中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環(huán)境的方法是優(yōu)化整個(gè)系統中的射頻能量分布，盡量減少網(wǎng)絡(luò )中共信道干擾的產(chǎn)生和敏感度。本文最后部分將詳細討論這種方法。利用更高的SINR(更高的SINR可實(shí)現更高的調制等級，因此鏈路可達到更高的數據速率)和經(jīng)典分集(可增加鏈路穩定性)，這種方案可以提供更高的數據速率和更具魯棒性的鏈路。就像在MISO系統中，基站用多個(gè)空間信道來(lái)實(shí)現客戶(hù)設備一致的組合能量那樣，這些信道被客戶(hù)端用來(lái)改善這些空間'方向'中的有效靈敏度(像SIMO系統那樣)，降低基站發(fā)送所需的功率。相反的過(guò)程在上行鏈路上完成?；竞涂蛻?hù)設備通過(guò)自動(dòng)一致地運行降低系統中的干擾水平。就像后文所要討論的那樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )性能是廣域網(wǎng)系統優(yōu)化的關(guān)鍵方面，而降低干擾是提高寬帶網(wǎng)絡(luò )性能的主要驅動(dòng)力。
全球的研究實(shí)驗室業(yè)已證明MIMO技術(shù)在早期的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)應用中的實(shí)際可行性，其系統容量非常接近實(shí)驗室中同時(shí)使用空間復用和空間-時(shí)間編碼技術(shù)所能達到的理論預測值。由于在最初應用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術(shù)很快走出實(shí)驗室，并應用于實(shí)際的WLAN產(chǎn)品中。
MIMO早期在WiFi上取得的成功
宣傳最多的MIMO實(shí)現是在固定的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)環(huán)境中，在這種環(huán)境中MIMO的最大好處是提高了單個(gè)用戶(hù)設備的吞吐量。特別是家庭和企業(yè)級WLAN所具有的多個(gè)特性使它們成為最早采納MIMO的理想候選網(wǎng)絡(luò )，這些特性包括：
1. 豐富的散射
大多數WiFi系統都處在有大量散射條件的環(huán)境中，如室內或密集的城市建筑物間。在這些環(huán)境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來(lái)形成多個(gè)流。事實(shí)上，室內環(huán)境與獲得圖3所示的容量隨天線(xiàn)數量增加而呈線(xiàn)性增長(cháng)所需的條件非常相似。
2. 獨立部署
獲得快速部署的一個(gè)重要因素是WiFi設備通常是最終用戶(hù)自己購買(mǎi)的，并且在他們自己的網(wǎng)絡(luò )中是獨立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互操作性并不成問(wèn)題，就像IEEE 802.11n產(chǎn)品在公共MIMO標準獲得一致意見(jiàn)之前取得成功所表明的那樣，允許快速部署MIMO技術(shù)，不需要等到標準的統一。
3. 有限的干擾
同樣關(guān)鍵的是WiFi環(huán)境非常接近研究MIMO技術(shù)的理論假設。由于WiFi網(wǎng)絡(luò )的短距離和動(dòng)態(tài)信道分配特性，MIMO接收器一般工作時(shí)沒(méi)有很大的共信道干擾。如果工作在沒(méi)有補償的共信道干擾環(huán)境中，這些解決方案的性能會(huì )很快下降。
MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潛在性能改善是真實(shí)的。從實(shí)驗室結果到實(shí)際的WiFi產(chǎn)品只用了短短幾年的時(shí)間，這一事實(shí)對廣域網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商來(lái)說(shuō)意味著(zhù)再次取得成功的機會(huì )非常大。
廣域網(wǎng)所面臨的挑戰
使MIMO在WiFi產(chǎn)品中得到成功應用的性能優(yōu)勢同樣使MIMO成為廣域無(wú)線(xiàn)移動(dòng)環(huán)境中的一種可能的技術(shù)選擇。然而，移動(dòng)、多蜂窩環(huán)境與WiFi射頻環(huán)境在某些方面有本質(zhì)的區別，因此移動(dòng)環(huán)境面臨諸多配置方面的挑戰。
1. 干擾
由于采用密集的和大蜂窩部署方式，廣域環(huán)境中的干擾特別嚴重。在這種環(huán)境中，干擾抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，為了將MIMO在WLAN的成功應用經(jīng)驗推廣到廣域網(wǎng)和移動(dòng)寬帶數據業(yè)務(wù)，必須采用新的MIMO解決方案，并且要兼顧干擾和數據速率。
圖3：具有N幅發(fā)送和接收天線(xiàn)的MIMO系統在保持總發(fā)送功率不變的條件下理論平均容量相對信噪比(SNR)曲線(xiàn)。
2. 有限散射
在某些情況下，廣域散射環(huán)境只能有一條或兩條主導路徑。例如，如果是視距(LOS)傳播，那么就只有一條主導傳播路徑，也就限制了空間復用技術(shù)的使用。
3. 互操作性
在廣域網(wǎng)絡(luò )中，所有用戶(hù)都需要無(wú)縫地通過(guò)大型網(wǎng)絡(luò )(跨越地區和運營(yíng)商)與基站進(jìn)行通信，因此必須支持互操作性。像上述使用空間復用或空間-時(shí)間編碼技術(shù)的解決方案需要修改協(xié)議，因此會(huì )極大地增加廣域網(wǎng)中的MIMO解決方案產(chǎn)品的面市時(shí)間。例如，接收器需要知道發(fā)送器使用的空間-時(shí)間代碼才能正確地對數據解碼。將MIMO納入移動(dòng)系統的工作已經(jīng)在多個(gè)標準化組織中展開(kāi)，比如IEEE 802.16e標準，但具有魯棒性的商用產(chǎn)品仍需相當一段時(shí)間才能正式上市。
這些因素使得在廣域網(wǎng)中采用MIMO會(huì )比WiFi面臨更多的挑戰，需要采用能夠解決大型多蜂窩網(wǎng)絡(luò )特有屬性的新解決方案。MIMO在廣域網(wǎng)中的成功實(shí)現將取決于下面兩個(gè)關(guān)鍵屬性：
干擾抑制。在廣域網(wǎng)中為了減少干擾，至少要部分使用通過(guò)鏈路兩端的天線(xiàn)陣列獲得的更多自由度。與只在單端進(jìn)行干擾抑制的系統相比，在發(fā)送器和接收器端同時(shí)進(jìn)行干擾抑制可以顯著(zhù)地減少網(wǎng)絡(luò )干擾。
魯棒性解決方案。需要開(kāi)發(fā)出能夠解決主導傳播路徑數量有限的方案，即使在有限散射的信道中，通過(guò)發(fā)送器和接收器端組合信號仍可以獲得顯著(zhù)的性能增益。最近的研究表明，即使是只有一條主導傳播路徑的信道(也稱(chēng)為鎖眼信道，key-hole channel)，在鏈路兩端同時(shí)使用智能天線(xiàn)技術(shù)仍能獲得可觀(guān)的性能增益。
用于廣域網(wǎng)的MIMO
不需要修改已有協(xié)議，也不用等到新協(xié)議完成就能在現有廣域網(wǎng)中獲得顯著(zhù)的MIMO增益?；静捎米赃m應陣列處理技術(shù)、移動(dòng)終端采用類(lèi)似處理技術(shù)即可獲得明顯的性能改善，這就是上文提到的第三種基本MIMO方法。事實(shí)上，理論研究也指出，這是在廣域網(wǎng)中最常見(jiàn)的多信道條件下所采取的最佳方法。同時(shí)增強信號強度和干擾抑制性能對推進(jìn)廣域網(wǎng)的發(fā)展、支持運營(yíng)商越來(lái)越高的帶寬和多媒體業(yè)務(wù)目標顯得尤為重要。
下面介紹能夠平衡干擾抑制和吞吐量的解決方案?；就ㄟ^(guò)計算天線(xiàn)陣列的組合權重盡量減少基站方面的干擾。同樣，移動(dòng)終端使用它的天線(xiàn)陣列減少手機方面的干擾。由于在基站或客戶(hù)設備上都不需要特殊的鏈路編碼，因此MIMO處理的實(shí)現和操作可以完全獨立于每個(gè)設備。結果將形成一個(gè)自組織和自?xún)?yōu)化的系統，它能連續適應變化的干擾環(huán)境和用戶(hù)不斷變化的業(yè)務(wù)需求。由于這種MIMO方法中鏈路兩端設備是互相獨立的，因此即使在不同種類(lèi)網(wǎng)絡(luò )或正在升級變化中的網(wǎng)絡(luò )(不是所有基站和客戶(hù)設備都裝備有多幅天線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò ))條件下也能提供優(yōu)異的性能。單天線(xiàn)終端可以使用SIMO(發(fā)送中)或MISO(接收中)信道簡(jiǎn)單地加入這樣的網(wǎng)格，并與多天線(xiàn)終端一起工作。這種干擾最小化MIMO技術(shù)所帶來(lái)的總體網(wǎng)絡(luò )性能將隨著(zhù)系統中多天線(xiàn)設備的增多而日益增強。
本文小結
MIMO技術(shù)提供的性能增益為推動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信的下一步發(fā)展提供了極具前景的動(dòng)力。為WiFi市場(chǎng)和廣域網(wǎng)提供性能增強的MIMO設備不久就會(huì )上市。然而，廣域移動(dòng)無(wú)線(xiàn)系統中的射頻環(huán)境與WiFi完全不同，干擾是最大的挑戰。幸運的是，現在已經(jīng)有了基于自適應天線(xiàn)處理技術(shù)的廣域網(wǎng)MIMO解決方案，能夠在單天線(xiàn)系統中提供巨大的性能增益。這些解決方案通過(guò)多幅天線(xiàn)和信道內部固有的空間維數可以完全滿(mǎn)足干擾和吞吐量要求。而且大部分增益性能可以在不修改協(xié)議的條件下實(shí)現，相信在不遠的將來(lái)這些解決方案很快會(huì )得到廣泛應用。因此，廣域MIMO應用可能要比想象的更容易實(shí)現。
評論