WiMAX(全球互通微波接入)技術(shù)的多天線技術(shù)綜述

1、WiMAX( 全 球 互 通 微 波 接 入 ) 技 術(shù) 是 以IEEE802.16 系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，可以在固定和移動的環(huán)境中提供高速的數(shù)據(jù)、語音和視頻等業(yè)務(wù)，兼具了移動、寬帶和 IP 化的特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，逐漸成為寬帶無線接入領(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線寬帶接入技術(shù)，WiMAX 必須采用多天線技術(shù)來提高自身的競爭力。1 多天線技術(shù)的優(yōu)勢隨著無線通信技術(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0c59f8ea 工業(yè)大型

2、微波爐 http:/ 多天線相比于單天線的優(yōu)勢多天線技術(shù)相比單天線技術(shù)具有如下優(yōu)勢：(1)陣列增益使用多天線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。分集增益是通過利用多徑來獲得的，當(dāng)某一條路徑性能變壞時不會影響系統(tǒng)的性能。在無線衰落信道里，可以增加接收信號強(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)、時域(時間)和頻域(頻率)3 個維度上獲得。(3)共信道干擾消除消除了共信道干擾。使用多天線后通過分析干擾的不同信道響應(yīng)，消除共信道的干擾信號。1.20c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 2×2 接收分集的多輸入多輸出

3、(MIMO)將使單站點(diǎn)容量提升近 20%。通過計(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0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 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

4、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)的處理過程變得更加復(fù)雜：基站必須支持 2 個以上獨(dú)立的發(fā)射通道(兩天線獨(dú)立地編碼、調(diào)制、0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 2 個空間數(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。無疑，一方面通過多天線技術(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)營商帶來成倍增長的利潤空間；另一方面，采用多天線技術(shù)會對基站和終

5、端帶來更大的實(shí)現(xiàn)復(fù)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技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)的影響較小。通常從運(yùn)營成本角度出發(fā)，需在綜合考慮系統(tǒng)和設(shè)備復(fù)雜性的影響下合理0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 標(biāo)準(zhǔn)支持諸如Alamouti 方案的空時碼、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 將通過空時編碼實(shí)現(xiàn)的發(fā)射分集作為標(biāo)準(zhǔn)的一個可選項(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)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空

6、間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)期望信號到達(dá)方向，同時對干擾形成零陷，抑制干擾，實(shí)現(xiàn)期望信號的最佳接收。在 WiMAX 系統(tǒng)中 AAS 的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是基于時分復(fù)用(TDD)模式。因?yàn)樵?c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 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，只有通過反饋，這將增大整個系統(tǒng)的開銷。在 WiMAX 體系中，AAS 是一種

7、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)營成本等。AAS 在實(shí)現(xiàn)時既可以采用多波束選擇的方式，也可以采用0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 多輸入多輸出技術(shù) MIMO 技術(shù)最早是由 Marconi 于 1908 年提出來的，它利用在基站和終端使用多天線來抑制信道衰落，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)的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結(jié)合起來進(jìn)行信

8、號處理。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(信號的具體形式不一定完全相0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 協(xié)議中同時使用空時編碼和空間復(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IEEE802.16中多天線的一個選項(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

9、，可以避免在接收端使用多天線對0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 802.16 市場化時帶來的阻礙。在 MIMO 中，空時發(fā)射分集模式主要通過空時編碼來實(shí)現(xiàn)?？諘r編碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。使用空時碼時，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。常見的空時碼有空時分組碼(STBC)和空時格碼(STTC)，其中 STBC 因其相對簡單的編譯碼過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方案的空時碼(STC)編

10、碼，該方案的關(guān)鍵特性是兩0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 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，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分組碼，且譯碼時只需要對接收信號進(jìn)行簡單的處理，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，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)用的方法來提高信道容量的方法主要是各種分層空時碼(如 BLAST)。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時算法(BLAST)結(jié)構(gòu)不是通過信號變換(編碼、調(diào)制、映射等)引入0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐

11、 http:/ 結(jié)構(gòu)主要分為垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時算法(V-BLAST)和對角線- 貝爾實(shí) 驗(yàn)室分 層空 時算法(D-BLAST)：V-BLAST 將 M 個比特流編碼、映射和交織后通過互相獨(dú)立的天線發(fā)射出去，充分發(fā)掘了分集增益，而且每一個信息流可以單獨(dú)檢測。D-BLAST 也先經(jīng)過相同的處理，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0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 分集與復(fù)用相結(jié)合空時發(fā)射分集能獲得額外的

12、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 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0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 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，可以克服不同場景帶來的不

13、確定性，使 MIMO 技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用場景。如對于同網(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。對于未來移動通信系統(tǒng)而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ SISO 系統(tǒng)的發(fā)展，所以 MIMO 是未來移動通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO 技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX 中都得到

14、了應(yīng)用。WiMAX 還給出了同時使用空間復(fù)用和空時編碼的形式，支持 MIMO 是協(xié)議中的一種可選方案。2.3AAS 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)，但其原理和應(yīng)用場景卻不盡相同，下面對這兩0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ (1)系統(tǒng)容量 AAS 和 MIMO 都是利用多天線來增強(qiáng)傳輸信號，獲得相比于單天線而言額外的系統(tǒng)容量。AAS 產(chǎn)生單個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)度呈對數(shù)增長關(guān)系。在 WiMAX 系統(tǒng)中，對基本的 SISO 配置，基站的吞吐量為 25Mb/s，4 陣元 AAS 相比

15、SISO 能提高吞吐量 50%而達(dá)到 33Mb/s，8 陣元 AAS 吞吐量能達(dá)到 38Mb/s，而 MIMO 系統(tǒng)的容量隨天線數(shù)目線性增長，2×2MIMO 系統(tǒng)的容量是 SISO 系統(tǒng)的 2 倍，4×4MIMO 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)移動性 802.16e 相比于 802.16d 最大的0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 是靠對信道準(zhǔn)確可靠地估計(jì)來獲得波束形成的權(quán)值。在移動環(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3.5GHz、終端移動速率 3

16、0km/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。因此在高速移動環(huán)境，AAS 幾乎無法。而 MIMO在發(fā)送端可以不需要信道信息，能夠適用于移動的環(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模式必須是 TDD，而 MIMO 無論在 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)合來達(dá)到更好的性能，這也是未來移動通信技術(shù)的趨勢之一。0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 技術(shù)非常適合城市范圍內(nèi)多徑環(huán)境下的無線信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高 WiMAX 系統(tǒng)覆蓋范圍及吞吐量的

17、合適技術(shù)。自適應(yīng)天線則有利于提高基站與運(yùn)動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，在城市多徑彌散的環(huán)境中，MIMO 可能將會更受設(shè)備開發(fā)商的歡迎。所以說，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 機(jī)制才能和其他的技術(shù)兼容，才能使WiMAX 更具有競爭力。3 結(jié)束語隨著多媒體業(yè)務(wù)不斷地推陳出新，無線接入技術(shù)正呈現(xiàn)高帶寬和 IP化的趨勢，游牧和移動寬帶接入將成為未來通信市0c59f8ea 工業(yè)大型微波爐 http:/ 是為這一需求專門發(fā)展的寬帶無線接入技術(shù)，性能優(yōu)，效率高，成本低，通過靈活的體制配置可以滿足各種應(yīng)用場景的要求。面對當(dāng)前競爭激烈的無線通信市場，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