MIMO天線3種技術(shù)及應(yīng)用場景分析

BLAST算法是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的一種有效的空時(shí)處理算法，目前已廣泛應(yīng)用于MIMO系統(tǒng)中。BLAST算法分為D-BLAST算法和V-BLAST算法。

D-BLAST算法是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.J.Foschini于1996年提出的。對于D-BLAST算法，原始數(shù)據(jù)被分為若干子數(shù)據(jù)流，每個子流獨(dú)立進(jìn)行編碼，而且被循環(huán)分配到不同的發(fā)射天線。D-BLAST的好處是每個子流的數(shù)據(jù)都可以通過不同的空間路徑到達(dá)接收端，從而提高了鏈路的可靠性，但其復(fù)雜度太大，難以實(shí)際使用。

1998年G.D.Golden和G.J.Foschini提出了改進(jìn)的V-BLAST算法，該算法不再對所有接收到的信號同時(shí)解碼，而是先對最強(qiáng)信號進(jìn)行解碼，然后在接收信號中減去最強(qiáng)信號，再對剩余信號中最強(qiáng)信號進(jìn)行解碼，再次減去，如此循環(huán)，直到所有信號都被解出。

2002年10月，世界上第一個BLAST芯片在貝爾實(shí)驗(yàn)室問世，這標(biāo)志著MIMO技術(shù)走向商用的開始。

1.3 波束成型技術(shù)

波束成型技術(shù)又稱為智能天線，通過對多個天線輸出信號的相關(guān)性進(jìn)行相位加權(quán)，使信號在某個方向形成同相疊加，在其他方向形成相位抵消，從而實(shí)現(xiàn)信號的增益。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)(如TDD系統(tǒng))，系統(tǒng)會根據(jù)信道狀態(tài)調(diào)整每個天線發(fā)射信號的相位(數(shù)據(jù)相同)，以保證在目標(biāo)方向達(dá)到最大的增益;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)射端不知道信道狀態(tài)時(shí)，可以采用隨機(jī)波束成形方法實(shí)現(xiàn)多用戶分集。

2 3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場景

空間復(fù)用能最大化MIMO系統(tǒng)的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益，在信噪比較小時(shí)使用，可能無法使用高階調(diào)制方式(如16QAM等)。

無線信號在密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境中會頻繁反射，使得多個空間信道之間的衰落特性更加獨(dú)立，從而使得空間復(fù)用的效果更加明顯。

無線信號在市郊、農(nóng)村地區(qū)，多徑分量少，各空間信道之間的相關(guān)性較大，因此空間復(fù)用的效果要差許多。

對發(fā)射信號進(jìn)行空時(shí)編碼可以獲得額外的分集增益和編碼增益，從而可以在信噪比相對較小的無線環(huán)境下使用高階調(diào)制方式，但無法獲取空間并行信道帶來的速率紅利?？諘r(shí)編碼技術(shù)在無線相關(guān)性較大的場合也能很好地發(fā)揮效能。

因此，在MIMO的實(shí)際使用中，空間復(fù)用技術(shù)往往和空時(shí)編碼結(jié)合使用。當(dāng)信道處于理想狀態(tài)或信道間相關(guān)性小時(shí)，發(fā)射端采用空間復(fù)用的發(fā)射方案，例如密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等場景;當(dāng)信道間相關(guān)性大時(shí)，采用空時(shí)編碼的發(fā)射方案，例如市郊、農(nóng)村地區(qū)。這也是3GPP在FDD系統(tǒng)中推薦的方式。

波束成型技術(shù)在能夠獲取信道狀態(tài)信息時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)較好的信號增益及干擾抑制，因此比較適合TDD系統(tǒng)。

依據(jù)文獻(xiàn)[4]，波束成型技術(shù)不適合密集城區(qū)、室內(nèi)覆蓋等環(huán)境，由于反射的原因，一方面接收端會收到太多路徑的信號，導(dǎo)致相位疊加的效果不佳;另一方面，大量的多徑信號會導(dǎo)致DOA信息估算困難。

3 二重接收分集技術(shù)的數(shù)據(jù)速率提升作用

3G(WCDMA)室內(nèi)空間二重分集接收的實(shí)測數(shù)據(jù)速率，也可說明多天線作用。室內(nèi)分布空間二重分集接收如圖4所示。

從表1可看出室內(nèi)覆蓋，二重分集接收速率提升2倍以上。

相關(guān)的規(guī)劃設(shè)計(jì)人員應(yīng)該思考在大樓內(nèi)建3G基站，該花的錢，如基站主設(shè)備、物業(yè)、管道、基房、配套電源及空調(diào)等等加起來恐怕不會少于10萬元，但僅僅缺少一路主饋線(200 m 0.6萬元)不能用于分集(注意，原2天線1~2之間8 m沒有分集)，現(xiàn)改為分集，使得系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量翻倍。

4 不強(qiáng)不弱的均勻信號覆蓋對數(shù)據(jù)速率的影響

在3G/4G技術(shù)中，MIMO技術(shù)理論上為數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，但是在實(shí)際覆蓋區(qū)內(nèi)信號太強(qiáng)或太弱都不可能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高階調(diào)制，只有不強(qiáng)不弱的均勻信號才能采用數(shù)據(jù)高階調(diào)制，從而得到數(shù)據(jù)速率的提升。

4.1 泰爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)[5]

泰爾實(shí)驗(yàn)室實(shí)測WLAN(OFDM)數(shù)據(jù)速率與場強(qiáng)關(guān)系見表2。

4.2 A8 Super Wi-Fi設(shè)備性能

京信公司無線傳輸與接入事業(yè)部提供的A8 Super Wi-Fi設(shè)備性能見表3。

實(shí)際工程為了90%無線覆蓋區(qū)可接入系統(tǒng)，應(yīng)有8dB陰影衰落儲備，因此其覆蓋電平對應(yīng)數(shù)據(jù)速率應(yīng)如表3所示。

4.3 結(jié)論

從表2和表3可看出當(dāng)接收機(jī)輸入電平為-82dBm時(shí)，數(shù)據(jù)速率僅為6 Mbit/s，當(dāng)接收機(jī)輸入電平為-65dBm時(shí)，數(shù)據(jù)速率達(dá)到54 Mbit/s，數(shù)據(jù)速率提升9倍，說明未來LTE基站邊界電平應(yīng)取-75dBm，而不是2G時(shí)代的-85dBm。

5 未來MIMO天線建設(shè)模式

將可能有2種天線建設(shè)模式：即2G/3G時(shí)代的宏基站天線建設(shè)模式和分布式天線建設(shè)模式。

5.1 宏基站天線建設(shè)模式

宏基站天線建設(shè)模式如圖5所示，將MIMO天線放在3扇區(qū)中心的30 m高塔上。圖6示出的是宏基站覆蓋信號電平分布示意圖。

5.2 分布式天線建設(shè)模式

圖7示出的是文獻(xiàn)[3]給出的建設(shè)模式。圖7中1+6個近遠(yuǎn)端覆蓋范圍等于1個宏基站覆蓋范圍。覆蓋區(qū)內(nèi)采取小功率、多天線的模式進(jìn)行覆蓋。天線掛高不宜過高(8m左右);室外天線口功率為15~30dBm;市區(qū)天線覆蓋半徑在150 m以內(nèi)。

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