WIMAX系統(tǒng)中的多天線技術(shù)及應(yīng)用

摘要：WiMAX(全球互通微波接入)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，逐漸成為寬帶無(wú)線接入技術(shù)的熱點(diǎn)之一。WiMAX系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高于2 bps/Hz的頻帶利用率。為了增加覆蓋范圍和系統(tǒng)的可靠性，IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)支持Alamouti方案的空時(shí)碼(STC)、自適應(yīng)天線(AAS)和多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在內(nèi)的多天線技術(shù)。多天線技術(shù)的應(yīng)用能顯著地提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率，從而大大增強(qiáng)WiMAX技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)力。

Abstract:The Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) technology has rapidly developed in recent years. It is becoming one of the hotspots among broadband wireless access technologies. A WiMAX system can provide bandwidth efficiency higher than 2 bps/Hz. In order to improve coverage and reliability of the WiMAX system, the IEEE 802.16 standard supports multiple antenna techniques such as Alamouti Space-time Coding (STC), Adaptive Antenna System (AAS) and Multiple Input Multiple Output (MIMO). The applications of the multiple antenna techniques improve system capacity and bandwidth efficiency significantly, and enhance the competence of the WiMAX technology greatly.

WiMAX(全球互通微波接入)技術(shù)是以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，可以在固定和移動(dòng)的環(huán)境中提供高速的數(shù)據(jù)、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)線接入領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一。

多天線技術(shù)在提高頻譜效率、支持更高速的數(shù)據(jù)傳輸、提高傳輸信號(hào)質(zhì)量、增加系統(tǒng)覆蓋范圍和解決熱點(diǎn)地區(qū)的高容量要求等方面有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，并廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)通信系統(tǒng)中[1-5]。

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

1  多天線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

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

多天線技術(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 多天線相比于單天線的優(yōu)勢(shì)

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

(1)陣列增益

使用多天線后增加了信號(hào)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(dāng)某一條路徑性能變壞時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。在無(wú)線衰落信道里，可以增加接收信號(hào)強(qiáng)度的穩(wěn)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)、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。使用多天線后通過(guò)分析干擾的不同信道響應(yīng)，消除共信道的干擾信號(hào)。

1.2 多天線技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性

(1)提高傳輸容量，降低高話務(wù)區(qū)域建網(wǎng)成本

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷推廣，尤其是手機(jī)電視、高速無(wú)線上網(wǎng)等業(yè)務(wù)的應(yīng)用，用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求不斷增加，在密集城區(qū)、熱點(diǎn)地區(qū)等高話務(wù)區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)的部署將受限于容量。另外由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不對(duì)稱性，容量的大小往往受限于下行速率的高低�；�于這些特點(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(jì)算，在區(qū)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(jié)省基站數(shù)目15%以上，從而大大減少高話務(wù)區(qū)域建網(wǎng)成本。

(2)降低擴(kuò)容成本

在使用基于多天線技術(shù)的接收機(jī)的情況下，使用2×2接收分集的MIMO天線可使扇區(qū)的吞吐率提升40%～60%，特別是在多徑環(huán)境較復(fù)雜的密集城區(qū)、城區(qū)、室內(nèi)等微蜂窩情況下扇區(qū)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(qū)域。

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

(3)增加收發(fā)信機(jī)和天饋系統(tǒng)成本

多天線技術(shù)的引入使得收發(fā)信機(jī)的處理過(guò)程變得更加復(fù)雜：基站必須支持2個(gè)以上獨(dú)立的發(fā)射通道(兩天線獨(dú)立地編碼、調(diào)制、擴(kuò)頻和發(fā)送)和2個(gè)空間數(shù)據(jù)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，另外多天線本身及天饋系統(tǒng)的安裝也將比普通天線更加復(fù)雜。因此多天線的引入也將在一定程度上增加基站和天饋系統(tǒng)成本。無(wú)疑，一方面通過(guò)多天線技術(shù)提高傳輸容量，在按流量收費(fèi)情況下，多天線技術(shù)可為運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)成倍增長(zhǎng)的利潤(rùn)空間；另一方面，采用多天線技術(shù)會(huì)對(duì)基站和終端帶來(lái)更大的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性。相對(duì)而言，除必要的信令和測(cè)量信息，在升級(jí)中使用多天線技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響較小。

通常從運(yùn)營(yíng)成本角度出發(fā)，需在綜合考慮系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性的影響下合理使用多天線技術(shù)。

IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)支持諸如Alamouti方案的空時(shí)碼、自適應(yīng)天線(AAS)和MIMO技術(shù)在內(nèi)的多天線技術(shù)。作為一種能有效改善系統(tǒng)抗衰落性能的技術(shù)，IEEE802.16e將通過(guò)空時(shí)編碼實(shí)現(xiàn)的發(fā)射分集作為標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)可選項(xiàng)。

2  多天線技術(shù)在WiMAX系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 自適應(yīng)天線系統(tǒng)

AAS可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，獲得信噪比(SNR)增益，減少同頻干擾。自適應(yīng)天線利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)到達(dá)方向，同時(shí)對(duì)干擾形成零陷，抑制干擾，實(shí)現(xiàn)期望信號(hào)的最佳接收。

在WiMAX系統(tǒng)中AAS的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是基于時(shí)分復(fù)用(TDD)模式。因?yàn)樵赥DD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(jì)算波束形成的權(quán)值。而在頻分復(fù)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(jì)算波束形成的權(quán)值，只有通過(guò)反饋，這將增大整個(gè)系統(tǒng)的開銷。

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(tǒng)容量、擴(kuò)大覆蓋范圍、提高通信的可靠性、降低運(yùn)營(yíng)成本等。AAS在實(shí)現(xiàn)時(shí)既可以采用多波束選擇的方式，也可以采用自適應(yīng)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(jù)收發(fā)天線的數(shù)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(hào)處理，也就是利用在空間中分布的多個(gè)天線將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來(lái)進(jìn)行信號(hào)處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴(kuò)展。廣義的MIMO技術(shù)包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)。發(fā)射分集技術(shù)指的是在不同的天線上發(fā)射包含同樣信息的信號(hào)(信號(hào)的具體形式不一定完全相同)，達(dá)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(fù)用技術(shù)與發(fā)射分集不同，它在不同的天線上發(fā)射不同的信息，獲得空間復(fù)用增益，從而大大提高系統(tǒng)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(fù)用的形式，可以顯著地提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。

目前MIMO已經(jīng)成為了IEEE 802.16中多天線的一個(gè)選項(xiàng)，并且在IEEE802.16e中也得到了體現(xiàn)。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(fù)用模式和分集與復(fù)用相結(jié)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，可以避免在接收端使用多天線對(duì)終端設(shè)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(xiàn)�？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(xiàn)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(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)最大分集增益。常見的空時(shí)碼有空時(shí)分組碼(STBC)和空時(shí)格碼(STTC)，其中STBC因其相對(duì)簡(jiǎn)單的編譯碼過(guò)程而獲得了廣泛的應(yīng)用。

802.16d標(biāo)準(zhǔn)中采用兩根發(fā)射天線的發(fā)射分集，以對(duì)抗阻擋視距和非直視距造成的深衰落，主要依據(jù)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)射天線的兩個(gè)序列之間的正交性。對(duì)兩發(fā)射天線系統(tǒng)，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)射天線數(shù)為2的系統(tǒng)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(duì)接收信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，大大減化了計(jì)算的復(fù)雜度。

2.2.2 空間復(fù)用

空間復(fù)用技術(shù)是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號(hào)，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(tǒng)的傳輸速率。目前利用空分復(fù)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(yàn)室分層空時(shí)算法(BLAST)結(jié)構(gòu)不是通過(guò)信號(hào)變換(編碼、調(diào)制、映射等)引入符號(hào)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(hào)之間的相關(guān)性。

BLAST結(jié)構(gòu)主要分為垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)算法(V-BLAST)和對(duì)角線-貝爾實(shí)驗(yàn)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(dú)立的天線發(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(dú)檢測(cè)。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發(fā)送，從而減小了因某一個(gè)獨(dú)立信道傳輸效果較差而導(dǎo)致的系統(tǒng)整體性能的下降，但意味著更加復(fù)雜的收發(fā)設(shè)備。

BLAST結(jié)構(gòu)最大程度上發(fā)掘了頻譜效率，但是一般需要接收天線數(shù)目大于或等于傳輸天線數(shù)目，而這一點(diǎn)在下行鏈路難以實(shí)現(xiàn)；另外因?yàn)槭褂貌煌�的鏈路傳輸�?dú)立的信號(hào)，那么如果一條鏈路被損壞，那么將面對(duì)不可挽回的錯(cuò)誤。

2.2.3 分集與復(fù)用相結(jié)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(shù)據(jù)速率；空間復(fù)用雖然能最大化MIMO系統(tǒng)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(fù)用相結(jié)合的方案既能提供分集增益又可以提高系統(tǒng)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(dú)使用分集或復(fù)用要復(fù)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(yīng)MIMO轉(zhuǎn)換(AMS)，這也叫做智能MIMO。如圖1所示。智能MIMO根據(jù)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(yīng)用場(chǎng)景。如對(duì)于同網(wǎng)絡(luò)下的不同終端，其天線數(shù)目可能是不同的，因而若在同一小區(qū)采用相同的MIMO傳輸方法，難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，用戶經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應(yīng)選擇不同MIMO技術(shù)以適應(yīng)信道變化，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。為支持自適應(yīng)MIMO模式選擇，發(fā)射端需要得到更多的包括信道或權(quán)重的反饋信息。

對(duì)于未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)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(duì)于單輸入單輸出(SISO)系統(tǒng)，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復(fù)雜的編碼調(diào)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SISO系統(tǒng)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(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時(shí)編碼。這兩種形式在WiMAX中都得到了應(yīng)用。WiMAX還給出了同時(shí)使用空間復(fù)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的多天線技術(shù)，但其工作原理和應(yīng)用場(chǎng)景卻不盡相同，下面對(duì)這兩種技術(shù)加以比較。

(1)系統(tǒng)容量

AAS和MIMO都是利用多天線來(lái)增強(qiáng)傳輸信號(hào)，獲得相比于單天線而言額外的系統(tǒng)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(tǒng)的容量隨波束強(qiáng)度呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系。在WiMAX系統(tǒng)中，對(duì)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(dá)到33 Mb/s，8陣元AAS吞吐量能達(dá)到38 Mb/s，而MIMO系統(tǒng)的容量隨天線數(shù)目線性增長(zhǎng)，2×2 MIMO系統(tǒng)的容量是SISO系統(tǒng)的2倍，4×4 MIMO系統(tǒng)的容量是2×2系統(tǒng)的2倍。因此MIMO比AAS能獲得更大的系統(tǒng)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(duì)信道準(zhǔn)確可靠地估計(jì)來(lái)獲得波束形成的權(quán)值。在移動(dòng)環(huán)境下信道變化很快，信道估計(jì)將變得很復(fù)雜，如在帶寬3.5 GHz、終端移動(dòng)速率30 km/s的系統(tǒng)中，每毫秒需要做一次信道估計(jì)才能保證性能，系統(tǒng)開銷很大。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AAS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(fù)用(OFDM)技術(shù)相結(jié)合來(lái)達(dá)到更好的性能，這也是未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的趨勢(shì)之一。

MIMO技術(shù)非常適合城市范圍內(nèi)多徑環(huán)境下的無(wú)線信號(hào)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(tǒng)覆蓋范圍及吞吐量的合適技術(shù)。自適應(yīng)天線則有利于提高基站與運(yùn)動(dòng)物體的方向性空間增益以及對(duì)干擾信號(hào)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(shè)備開發(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(tǒng)中必須要支持基本的MIMO工作機(jī)制才能和其他的技術(shù)兼容，才能使WiMAX更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

3  結(jié)束語(yǔ)

隨著多媒體業(yè)務(wù)不斷地推陳出新，無(wú)線接入技術(shù)正呈現(xiàn)高帶寬和IP化的趨勢(shì)，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是為這一需求專門發(fā)展的寬帶無(wú)線接入技術(shù)，性能優(yōu)，效率高，成本低，通過(guò)靈活的體制配置可以滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的要求。

面對(duì)當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的無(wú)線通信市場(chǎng)，WiMAX要想站穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，快速地將現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)、擴(kuò)大商用規(guī)模。在WiMAX的關(guān)鍵技術(shù)中，AAS和MIMO等多天線技術(shù)因能大大提高無(wú)線通信系統(tǒng)的能力而成為眾多WiMAX廠商關(guān)注的熱點(diǎn)之一。需要根據(jù)不同的場(chǎng)景選擇合適的多天線技術(shù)，使系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)更要關(guān)注多天線技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的成本，以及和其他技術(shù)(如OFDM、OFDM等)的結(jié)合，使WiMAX面對(duì)長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)和無(wú)線接口演進(jìn)(AIE)的競(jìng)爭(zhēng)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)線寬帶接入技術(shù)。

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作者簡(jiǎn)介：

趙瓊，西安電子科技大學(xué)碩士畢業(yè)，現(xiàn)工作于中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部西安研究所，從事MIMO和智能天線的研究工作。 王衍文，西安交通大學(xué)博士畢業(yè)，現(xiàn)為中興通訊股份有限公司移動(dòng)事業(yè)部西安研究所主任工程師，從事智能天線、MIMO、OFDM等關(guān)鍵技術(shù)的研究工作。