WiMAX中的多天線(xiàn)技術(shù)

WiMAX(全球互通微波接入)技術(shù)是以IEEE 802.16系列標準為基礎的寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，可以在固定和移動(dòng)的環(huán)境中提供高速的數據、語(yǔ)音和視頻等業(yè)務(wù)，兼具了移動(dòng)、寬帶和IP化的特點(diǎn)，近年來(lái)發(fā)展迅速，逐漸成為寬帶無(wú)線(xiàn)接入領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一。

作為解決最后一公里的最佳接入方式的無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)，WiMAX必須采用多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)提高自身的競爭力。

1 多天線(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源的嚴重不足已經(jīng)日益成為無(wú)線(xiàn)通信事業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。如何充分開(kāi)發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當前通信界研究的熱點(diǎn)課題之一。

多天線(xiàn)技術(shù)因其能在不增加帶寬的情況下提高傳輸效率和頻譜利用率而獲得廣泛的青睞。

1.1 多天線(xiàn)相比于單天線(xiàn)的優(yōu)勢

多天線(xiàn)技術(shù)相比單天線(xiàn)技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

(1)陣列增益

使用多天線(xiàn)后增加了信號的相干性，從而獲得陣列增益。

(2)分集增益

提高了分集增益。分集增益是通過(guò)利用多徑來(lái)獲得的，當某一條路徑性能變壞時(shí)不會(huì )影響系統的性能。在無(wú)線(xiàn)衰落信道里，可以增加接收信號強度的穩定性從而提高傳輸信息的可靠性。分集增益可以在空間(天線(xiàn))、時(shí)域(時(shí)間)和頻域(頻率)3個(gè)維度上獲得。

(3)共信道干擾消除

消除了共信道干擾。使用多天線(xiàn)后通過(guò)分析干擾的不同信道響應，消除共信道的干擾信號。

1.2 多天線(xiàn)技術(shù)的經(jīng)濟性

(1)提高傳輸容量，降低高話(huà)務(wù)區域建網(wǎng)成本

隨著(zhù)數據業(yè)務(wù)的不斷推廣，尤其是手機電視、高速無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)等業(yè)務(wù)的應用，用戶(hù)對數據業(yè)務(wù)的需求不斷增加，在密集城區、熱點(diǎn)地區等高話(huà)務(wù)區域，網(wǎng)絡(luò )的部署將受限于容量。另外由于數據業(yè)務(wù)的不對稱(chēng)性，容量的大小往往受限于下行速率的高低?；谶@些特點(diǎn)，以混合組網(wǎng)為例，使用2×2接收分集的多輸入多輸出 (MIMO)將使單站點(diǎn)容量提升近20%。通過(guò)計算，在區域覆蓋面積和容量需求不變的情況下，使用2×2接收分集的MIMO相比于1×2接收分集可以節省基站數目15%以上，從而大大減少高話(huà)務(wù)區域建網(wǎng)成本。

(2)降低擴容成本

在使用基于多天線(xiàn)技術(shù)的接收機的情況下，使用2×2接收分集的MIMO天線(xiàn)可使扇區的吞吐率提升40%～60%，特別是在多徑環(huán)境較復雜的密集城區、城區、室內等微蜂窩情況下扇區吞吐率可提升接近60%，而這些微蜂窩恰恰就是容量需求較高的區域。

在不增加載頻和基站數目的情況下，通過(guò)使用多天線(xiàn)技術(shù)作為擴容方案既可以滿(mǎn)足容量的需求又可以大大減少擴容成本，真正實(shí)現低成本快速擴容。

(3)增加收發(fā)信機和天饋系統成本

多天線(xiàn)技術(shù)的引入使得收發(fā)信機的處理過(guò)程變得更加復雜：基站必須支持2個(gè)以上獨立的發(fā)射通道(兩天線(xiàn)獨立地編碼、調制、擴頻和發(fā)送)和2個(gè)空間數據流的上行反饋信令(如CQI、ACK/NACK等信令)處理。這些都將在一定程度上增加基站和終端成本，另外多天線(xiàn)本身及天饋系統的安裝也將比普通天線(xiàn)更加復雜。因此多天線(xiàn)的引入也將在一定程度上增加基站和天饋系統成本。無(wú)疑，一方面通過(guò)多天線(xiàn)技術(shù)提高傳輸容量，在按流量收費情況下，多天線(xiàn)技術(shù)可為運營(yíng)商帶來(lái)成倍增長(cháng)的利潤空間；另一方面，采用多天線(xiàn)技術(shù)會(huì )對基站和終端帶來(lái)更大的實(shí)現復雜性。相對而言，除必要的信令和測量信息，在升級中使用多天線(xiàn)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò )的影響較小。

通常從運營(yíng)成本角度出發(fā)，需在綜合考慮系統和設備復雜性的影響下合理使用多天線(xiàn)技術(shù)。

IEEE 802.16標準支持諸如Alamouti方案的空時(shí)碼、自適應天線(xiàn)(AAS)和MIMO技術(shù)在內的多天線(xiàn)技術(shù)。作為一種能有效改善系統抗衰落性能的技術(shù)，IEEE802.16e將通過(guò)空時(shí)編碼實(shí)現的發(fā)射分集作為標準的一個(gè)可選項。

2 多天線(xiàn)技術(shù)在WiMAX系統中的應用

2.1 自適應天線(xiàn)系統

AAS可以實(shí)現系統參數自動(dòng)調整，獲得信噪比(SNR)增益，減少同頻干擾。自適應天線(xiàn)利用數字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線(xiàn)主波束對準期望信號到達方向，同時(shí)對干擾形成零陷，抑制干擾，實(shí)現期望信號的最佳接收。

在 WiMAX系統中AAS的設計和應用都是基于時(shí)分復用(TDD)模式。因為在TDD模式下，上行和下行共用相同的頻帶資源，可以利用上(下) 行信道的信息得到下(上)行信道的信息，在基站(終端)可以利用上下行信道的互惠性比較方便地計算波束形成的權值。而在頻分復用(FDD)模式下，上行和下行的信道一般是不同的，難以通過(guò)上(下)行的信息獲得下(上)行信道信息。要想計算波束形成的權值，只有通過(guò)反饋，這將增大整個(gè)系統的開(kāi)銷(xiāo)。 在WiMAX體系中，AAS是一種可選技術(shù)，在上下行鏈路中都可以選擇支持該技術(shù)。采用AAS技術(shù)可以提高系統容量、擴大覆蓋范圍、提高通信的可靠性、降低運營(yíng)成本等。AAS在實(shí)現時(shí)既可以采用多波束選擇的方式，也可以采用自適應的方式。

2.2 多輸入多輸出技術(shù)

MIMO技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出來(lái)的，它利用在基站和終端使用多天線(xiàn)來(lái)抑制信道衰落，從而大幅度地提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。根據收發(fā)天線(xiàn)的數量，MIMO還可以包括單輸入多輸出(SIMO)和多輸入單輸出(MISO)。

MIMO 技術(shù)的核心是空時(shí)信號處理，也就是利用在空間中分布的多個(gè)天線(xiàn)將時(shí)間域和空間域結合起來(lái)進(jìn)行信號處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線(xiàn)的擴展。廣義的MIMO技術(shù)包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復用技術(shù)。發(fā)射分集技術(shù)指的是在不同的天線(xiàn)上發(fā)射包含同樣信息的信號(信號的具體形式不一定完全相同)，達到空間分集的效果，從而提高信道的可靠性，降低誤碼率?？臻g復用技術(shù)與發(fā)射分集不同，它在不同的天線(xiàn)上發(fā)射不同的信息，獲得空間復用增益，從而大大提高系統的容量和頻譜利用率。WiMAX協(xié)議中同時(shí)使用空時(shí)編碼和空間復用的形式，可以顯著(zhù)地提高系統的容量和頻譜利用率。

目前MIMO已經(jīng)成為了IEEE 802.16中多天線(xiàn)的一個(gè)選項，并且在IEEE802.16e中也得到了體現。802.16協(xié)議支持的MIMO模式分為3種：空時(shí)發(fā)射分集模式、空間復用模式和分集與復用相結合模式。

2.2.1 空時(shí)發(fā)射分集

發(fā)射分集最大的優(yōu)點(diǎn)在于可以在基站端使用多天線(xiàn)，可以避免在接收端使用多天線(xiàn)對終端設備造成的壓力，從而減少802.16市場(chǎng)化時(shí)帶來(lái)的阻礙。

在 MIMO中，空時(shí)發(fā)射分集模式主要通過(guò)空時(shí)編碼來(lái)實(shí)現?？諘r(shí)編碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。使用空時(shí)碼時(shí)，在發(fā)端不知道信道狀態(tài)信息的情況下，系統仍能實(shí)現最大分集增益。常見(jiàn)的空時(shí)碼有空時(shí)分組碼(STBC)和空時(shí)格碼 (STTC)，其中STBC因其相對簡(jiǎn)單的編譯碼過(guò)程而獲得了廣泛的應用。

802.16d標準中采用兩根發(fā)射天線(xiàn)的發(fā)射分集，以對抗阻擋視距和非直視距造成的深衰落，主要依據的就是Alamouti方案的空時(shí)碼 (STC)編碼，該方案的關(guān)鍵特性是兩根發(fā)射天線(xiàn)的兩個(gè)序列之間的正交性。對兩發(fā)射天線(xiàn)系統，Alamouti編碼能獲得最大的分集增益，并且從編碼發(fā)展的歷史上說(shuō)，Alamouti方案是為發(fā)射天線(xiàn)數為2的系統提供完全發(fā)射分集增益的一種空時(shí)分組碼，且譯碼時(shí)只需要對接收信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，大大減化了計算的復雜度。

2.2.2 空間復用

空間復用技術(shù)是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，主要是為了提高系統的傳輸速率。目前利用空分復用的方法來(lái)提高信道容量的方法主要是各種分層空時(shí)碼(如BLAST)。貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)算法 (BLAST)結構不是通過(guò)信號變換(編碼、調制、映射等)引入符號間的正交性，而是充分利用了信道的多徑特點(diǎn)，解除了信號之間的相關(guān)性。

BLAST 結構主要分為垂直-貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)算法(V-BLAST)和對角線(xiàn)-貝爾實(shí)驗室分層空時(shí)算法(D-BLAST)：V-BLAST 將M個(gè)比特流編碼、映射和交織后通過(guò)互相獨立的天線(xiàn)發(fā)射出去，充分發(fā)掘了分集增益，而且每一個(gè)信息流可以單獨檢測。D-BLAST也先經(jīng)過(guò)相同的處理，但是各編碼塊分配給不同的天線(xiàn)發(fā)送，從而減小了因某一個(gè)獨立信道傳輸效果較差而導致的系統整體性能的下降，但意味著(zhù)更加復雜的收發(fā)設備。BLAST結構最大程度上發(fā)掘了頻譜效率，但是一般需要接收天線(xiàn)數目大于或等于傳輸天線(xiàn)數目，而這一點(diǎn)在下行鏈路難以實(shí)現；另外因為使用不同的鏈路傳輸獨立的信號，那么如果一條鏈路被損壞，那么將面對不可挽回的錯誤。

2.2.3 分集與復用相結合

空時(shí)發(fā)射分集能獲得額外的分集增益和編碼增益，但不能提高數據速率；空間復用雖然能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空時(shí)發(fā)射分集和空間復用相結合的方案既能提供分集增益又可以提高系統容量，從而得到高頻譜效率和傳輸質(zhì)量的良好折衷，但是處理起來(lái)比單獨使用分集或復用要復雜一些。

2.2.4 智能MIMO

移動(dòng)WiMAX還支持各種MIMO模式之間的自適應MIMO轉換(AMS)，這也叫做智能MIMO。如圖1所示。智能MIMO根據信道條件，選擇合適的 MIMO模式，在不降低覆蓋范圍的情況下提高頻譜利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同場(chǎng)景帶來(lái)的不確定性，使MIMO技術(shù)具有更廣泛的應用場(chǎng)景。如對于同網(wǎng)絡(luò )下的不同終端，其天線(xiàn)數目可能是不同的，因而若在同一小區采用相同的MIMO傳輸方法，難以達到優(yōu)化設計目標。此外，用戶(hù)經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應選擇不同MIMO技術(shù)以適應信道變化，可以?xún)?yōu)化系統性能。為支持自適應MIMO模式選擇，發(fā)射端需要得到更多的包括信道或權重的反饋信息。

對于未來(lái)移動(dòng)通信系統而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高服務(wù)質(zhì)量(QoS)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，也是移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。對于單輸入單輸出 (SISO)系統，如果要滿(mǎn)足上述要求就需要較多的頻譜資源和復雜的編碼調制技術(shù)，而頻譜資源的有限和移動(dòng)終端的特性都制約著(zhù)SISO系統的發(fā)展，所以 MIMO是未來(lái)移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現形式，即空間復用和空時(shí)編碼。這兩種形式在WiMAX中都得到了應用。WiMAX還給出了同時(shí)使用空間復用和空時(shí)編碼的形式，支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案。

2.3 AAS和MIMO的比較

AAS和MIMO都是802.16協(xié)議中提到的WiMAX的多天線(xiàn)技術(shù)，但其工作原理和應用場(chǎng)景卻不盡相同，下面對這兩種技術(shù)加以比較。

(1)系統容量

AAS 和MIMO都是利用多天線(xiàn)來(lái)增強傳輸信號，獲得相比于單天線(xiàn)而言額外的系統容量。AAS產(chǎn)生單個(gè)的能量非常集中的波束，從理論上講，系統的容量隨波束強度呈對數增長(cháng)關(guān)系。在WiMAX系統中，對基本的SISO配置，基站的吞吐量為25 Mb/s，4陣元AAS相比SISO能提高吞吐量50%而達到33 Mb/s，8陣元AAS吞吐量能達到38 Mb/s，而MIMO系統的容量隨天線(xiàn)數目線(xiàn)性增長(cháng)，2×2 MIMO系統的容量是SISO系統的2倍，4×4 MIMO系統的容量是2×2系統的2倍。因此MIMO比AAS能獲得更大的系統容量。

(2)移動(dòng)性

802.16e相比于802.16d最大的改進(jìn)之一便是支持移動(dòng)環(huán)境，AAS是靠對信道準確可靠地估計來(lái)獲得波束形成的權值。在移動(dòng)環(huán)境下信道變化很快，信道估計將變得很復雜，如在帶寬3.5 GHz、終端移動(dòng)速率30 km/s的系統中，每毫秒需要做一次信道估計才能保證性能，系統開(kāi)銷(xiāo)很大。因此在高速移動(dòng)環(huán)境，AAS幾乎無(wú)法工作。而MIMO在發(fā)送端可以不需要信道信息，能夠適用于移動(dòng)的環(huán)境。

(3)其他

由于A(yíng)AS需要信道信息，所以在一定程度上限定了其工作模式必須是TDD，而MIMO無(wú)論在TDD還是在FDD模式下都可以正常使用。MIMO可以和正交頻分復用(OFDM)技術(shù)相結合來(lái)達到更好的性能，這也是未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的趨勢之一。

MIMO 技術(shù)非常適合城市范圍內多徑環(huán)境下的無(wú)線(xiàn)信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統覆蓋范圍及吞吐量的合適技術(shù)。自適應天線(xiàn)則有利于提高基站與運動(dòng)物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過(guò)，在城市多徑彌散的環(huán)境中，MIMO可能將會(huì )更受設備開(kāi)發(fā)商的歡迎。所以說(shuō)，MIMO技術(shù)更能適合WIMAX發(fā)展的需要，在WiMAX系統中必須要支持基本的MIMO工作機制才能和其他的技術(shù)兼容，才能使 WiMAX更具有競爭力。

3 結束語(yǔ)

隨著(zhù)多媒體業(yè)務(wù)不斷地推陳出新，無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)正呈現高帶寬和IP化的趨勢，游牧和移動(dòng)寬帶接入將成為未來(lái)通信市場(chǎng)化的重要需求。WiMAX是為這一需求專(zhuān)門(mén)發(fā)展的寬帶無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)，性能優(yōu)，效率高，成本低，通過(guò)靈活的體制配置可以滿(mǎn)足各種應用場(chǎng)景的要求。

面對當前競爭激烈的無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)，WiMAX要想站穩腳步就必須采用先進(jìn)的技術(shù)，在保持自己大容量、廣覆蓋、非視距傳輸和標準統一等優(yōu)勢的同時(shí)，快速地將現有技術(shù)優(yōu)勢轉化為產(chǎn)品優(yōu)勢、擴大商用規模。在WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)中，AAS和MIMO等多天線(xiàn)技術(shù)因能大大提高無(wú)線(xiàn)通信系統的能力而成為眾多WiMAX 廠(chǎng)商關(guān)注的熱點(diǎn)之一。需要根據不同的場(chǎng)景選擇合適的多天線(xiàn)技術(shù)，使系統的性能達到最優(yōu)。同時(shí)更要關(guān)注多天線(xiàn)技術(shù)實(shí)際應用的成本，以及和其他技術(shù)(如 OFDM、OFDM等)的結合，使WiMAX面對長(cháng)期演進(jìn)(LTE)和無(wú)線(xiàn)接口演進(jìn)(AIE)的競爭能夠異軍突起，成為真正解決最后一公里接入方式的最佳無(wú)線(xiàn)寬帶接入技術(shù)。