WiMAX技術(shù)的多天線技術(shù)
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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(dāng)某一條路徑性能變壞時(shí)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(shí)域(時(shí)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。
1.2 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、高速無線上網(wǎng)等業(yè)務(wù)的應(yīng)用，用戶對數(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)的不對稱性，容量的大小往往受限于下行速率的高低。基于這些特點(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、擴(kuò)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(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將通過空時(shí)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(shí)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(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(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(shí)信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來進(jìn)行信號處理。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終端設(shè)備造成的壓力，從而減少802.16市場化時(shí)帶來的阻礙。
在MIMO中，空時(shí)發(fā)射分集模式主要通過空時(shí)編碼來實(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(shí)碼 (STC)編碼，該方案的關(guān)鍵特性是兩根發(fā)射天線的兩個序列之間的正交性。對兩發(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，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(shí)碼(如BLAST)。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)算法(BLAST)結(jié)構(gòu)不是通過信號變換(編碼、調(diào)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(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)和對角線-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)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)槭褂貌煌逆溌穫鬏敧?dú)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(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，可以克服不同場景帶來的不確定性，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。
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