從用于移動(dòng)WiMAX的早期MIMO實(shí)現中得到的重要經(jīng)驗

目前，無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商正在將重點(diǎn)轉向數據和多媒體業(yè)務(wù)，并以此作為收入增長(cháng)點(diǎn)。由于選用這些業(yè)務(wù)的用戶(hù)經(jīng)濟能力有很大的差別，因此迫切需要改善無(wú)線(xiàn)設備性能，實(shí)現實(shí)質(zhì)性的差異化(見(jiàn)圖1)。不幸的是，除了空間尺寸外，近年來(lái)無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域中并沒(méi)有開(kāi)發(fā)出太多新的性能改進(jìn)技術(shù)。而多天線(xiàn)信號處理(MAS)軟件可以更好地用來(lái)控制無(wú)線(xiàn)能量的空間分布，并被證明可以將性能提高幾個(gè)數量級。因此MAS現在已經(jīng)成為下一代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的重要組成部分。

在去年早些時(shí)候的電子工程專(zhuān)輯中我們已經(jīng)對MAS技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹(包括眾所周知的智能天線(xiàn)、空間時(shí)間處理或MIMO)，當時(shí)重點(diǎn)討論了源于Wi-Fi的MIMO技術(shù)應用于廣域系統時(shí)需要考慮的問(wèn)題。本文將詳細介紹不同MAS架構的基本功能以及WiMAX環(huán)境下MIMO的實(shí)現。

多天線(xiàn)信號處理的本質(zhì)

所有MAS架構都遵從相同的基本原理：在通信鏈路的一端或兩端(也就是基站和/或用戶(hù)設備)有兩幅以上的天線(xiàn)，它們需要對這些天線(xiàn)的接收和/或發(fā)射信號執行某種程度的協(xié)同處理。因此，關(guān)鍵設計選擇和需要考慮的變化因素包括：

1. 基站中無(wú)線(xiàn)收發(fā)鏈路的數量；

2. 用戶(hù)設備上無(wú)線(xiàn)收發(fā)鏈路的數量；

3. 目標利益(表1中哪些是追求的目標？)；

4. 在業(yè)務(wù)信道、鏈路的某個(gè)方向和某個(gè)端點(diǎn)(上行和/或下行、發(fā)送和/或接收)上所采用的MAS算法種類(lèi)；

5. 控制信道處理的方法；

6. 物理層處理(實(shí)現MAS的地方)和媒體訪(fǎng)問(wèn)層(調度)之間的協(xié)作程度和特征；

7. 發(fā)送校準的方法。

采用MAS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )系統工程需要根據以下內容對這些基本架構做出最優(yōu)選擇：

1. 空中接口要適應或兼容MAS(并不是所有接口都能適用于MAS的實(shí)現)。

2. 功能靈活性——蜂窩中的所有用戶(hù)是否都要受限于相同的處理模式、算法和天線(xiàn)數量，或者說(shuō)系統能否采用多種方法來(lái)適用于不同的應用條件？

3. 應用本身的許多屬性，即所支持的網(wǎng)絡(luò )工作情況，包括網(wǎng)絡(luò )規模、負載、頻譜分配、業(yè)務(wù)定義、用戶(hù)行為(包括移動(dòng)性)、成本和復雜性約束，特別是地點(diǎn)設定及客戶(hù)設備、綠色場(chǎng)地對升級部署的影響等。

措施和功效

所有MAS架構和處理方法都利用了以下四種增益和功能的一些組合：

空間分集 充分利用了固有信道差異的優(yōu)勢，這些差異存在于以空間或極化分隔的天線(xiàn)之間?？臻g分集只有在并非所有信道都同時(shí)處于深度衰落的條件下才有用，這種可能性與環(huán)境中的散射數量有很大的關(guān)系?？臻g分集鏈路預算增益一般在4~7dB量級。

相干(合成)處理 在理解無(wú)線(xiàn)信道特征(信道狀態(tài)信息)的基礎上，對送往或來(lái)自多個(gè)天線(xiàn)的信號進(jìn)行加權，并在感興趣的無(wú)線(xiàn)空間方向創(chuàng )建最大的相干合成信號(或具有最高靈敏度)。這種方法可以額外降低一些被動(dòng)干擾，因為更加集中的能量分布在一定程度上可以減少固有的同道干擾。這種合成多路信號來(lái)提高相干增益的方法稱(chēng)作為“波束成形”，盡管者在事實(shí)上是最有效的方法，但在多徑和散射環(huán)境中工作時(shí)并不創(chuàng )建真正的“波束”。最大比例合成(MRC)或發(fā)射(MRT)就是這類(lèi)例子。最終的合成增益是天線(xiàn)數量(通常為10log(n))和所用信道信息質(zhì)量的函數。

圖1：針對所消耗的單位網(wǎng)絡(luò )容量，用戶(hù)表達為各類(lèi)業(yè)務(wù)的消費意愿時(shí)，在語(yǔ)音、視頻和數據業(yè)務(wù)方面的意愿支出顯示出巨大差別