多天線技術(shù)在WiMAX系統(tǒng)中的應用教程

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，兼具了移動、寬帶和IP化的特點，近年來發(fā)展迅速，逐漸成為寬帶無線接入領域的發(fā)展熱點之一。 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，是當前通信界研究的熱點課題之一。

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

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，消除共信道的干擾信號。

1.2 多天線技術(shù)的經(jīng)濟性

(1)提高傳輸容量，降低高話務區(qū)域建網(wǎng)成本

隨著數(shù)據(jù)業(yè)務的不斷推廣，尤其是手機電視、高速無線上網(wǎng)等業(yè)務的應用，用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求不斷增加，在密集城區(qū)、熱點地區(qū)等高話務區(qū)域，網(wǎng)絡的部署將受限于容量。另外由于數(shù)據(jù)業(yè)務的不對稱性，容量的大小往往受限于下行速率的高低?；谶@些特點，以混合組網(wǎng)為例，使用2×2接收分集的多輸入多輸出(MIMO)將使單站點容量提升近20%。通過計算，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區(qū)域建網(wǎng)成本。

(2)降低擴容成本

在使用基于多天線技術(shù)的接收機的情況下，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)作為擴容方案既可以滿足容量的需求又可以大大減少擴容成本，真正實現(xiàn)低成本快速擴容。

(3)增加收發(fā)信機和天饋系統(tǒng)成本

多天線技術(shù)的引入使得收發(fā)信機的處理過程變得更加復雜：基站必須支持2個以上獨立的發(fā)射通道(兩天線獨立地編碼、調(diào)制、擴頻和發(fā)送)和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，在按流量收費情況下，多天線技術(shù)可為運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)會對基站和終端帶來更大的實現(xiàn)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技術(shù)對網(wǎng)絡的影響較小。

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

IEEE 802.16標準支持諸如Alamouti方案的空時碼、自適應天線(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將通過空時編碼實現(xiàn)的發(fā)射分集作為標準的一個可選項。

2 多天線技術(shù)在WiMAX系統(tǒng)中的應用

2.1 自適應天線系統(tǒng)

AAS可以實現(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。自適應天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準期望信號到達方向，同時對干擾形成零陷，抑制干擾，實現(xiàn)期望信號的最佳接收。

在WiMAX系統(tǒng)中AAS的設計和應用都是基于時分復用(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(quán)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(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、擴大覆蓋范圍、提高通信的可靠性、降低運營成本等。AAS在實現(xiàn)時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)合起來進行信號處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴展。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(tǒng)的容量和頻譜利用率。WiMAX協(xié)議中同時使用空時編碼和空間復用的形式，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中多天線的一個選項，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、空間復用模式和分集與復用相結(jié)合模式。