智能天線技術(shù)MIMO廣域無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析
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促使MIMO在局域網(wǎng)領(lǐng)域取得成功的許多局域網(wǎng)固有特性與廣域網(wǎng)環(huán)境有著很大的區(qū)別，因此我們必須謹(jǐn)慎地對(duì)待這種在不同應(yīng)用中的轉(zhuǎn)變。在下面對(duì)廣域網(wǎng)MIMO應(yīng)用的簡(jiǎn)要說明中，我們將重點(diǎn)突出干擾和有限散射特性，這二者是最重要的區(qū)別，也是實(shí)現(xiàn)中需要著重考慮的因素。對(duì)無線運(yùn)營商來說有個(gè)好消息，即在廣域網(wǎng)中確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)MIMO的大部分理論增益，條件是采用具有網(wǎng)絡(luò)意識(shí)(network-aware)的解決方案，這樣的方案能夠減少多蜂窩環(huán)境中的干擾，并保持受限散射條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性。另外值得注意的是，由于無需對(duì)現(xiàn)有無線協(xié)議作任何修改就能獲得這些性能增益，因此廣域網(wǎng)中的MIMO要比一般想象的更容易實(shí)現(xiàn)。
定義MIMO技術(shù)
由于用戶端設(shè)備對(duì)成本具有較大的敏感性，因此在目前商業(yè)廣域網(wǎng)中的智能天線配置只是在鏈路的基站側(cè)使用多幅天線，而客戶端設(shè)備只有一幅天線。隨著改善廣域網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的壓力不斷增大，以及客戶端設(shè)備芯片集成度提高，以及對(duì)客戶端增加智能天線處理的邊緣成本的降低，運(yùn)營商對(duì)在鏈路兩端都使用智能天線的解決方案興趣也越來越大。
圖1：在基站(BS)和客戶設(shè)備(CD)之間具有兩條主導(dǎo)傳播路徑的無線信道，如圖中箭頭所示，該信道疊加在基站標(biāo)稱的120°扇區(qū)傳送圖案上。
兩端同時(shí)用多幅天線將可以采用許多新的傳輸技術(shù)，這些技術(shù)在僅單端使用多幅天線的系統(tǒng)中是不可行的，在大多數(shù)情況下應(yīng)用這些技術(shù)將提供更多的系統(tǒng)性能增益。
業(yè)界對(duì)智能天線的討論，包括對(duì)用于各種不同實(shí)現(xiàn)中的術(shù)語有完全不同的定義，因此有必要簡(jiǎn)要介紹分類適用方法。先來看最簡(jiǎn)單的例子，考慮在鏈路的每端都只有一幅天線的某個(gè)系統(tǒng)，雖然信號(hào)向所有方向(一般在120°扇區(qū)內(nèi))發(fā)送，但某個(gè)具體的無線信道可能只有兩條主導(dǎo)路徑，如圖1所示。本文所示例子是一個(gè)高位基站與一個(gè)路面的低位移動(dòng)手機(jī)(更廣泛地說是“客戶設(shè)備”，因?yàn)橛锌赡苁且苿?dòng)計(jì)算平臺(tái))之間的通信，大部分接收信號(hào)來自于鄰近建筑物的反射。這是一個(gè)單輸入單輸出(SISO)的信道。[注：在無線通信領(lǐng)域中所說的術(shù)語“輸入”和“輸出”是針對(duì)信道本身而言的，并非以信道兩端的設(shè)備為參考]
本文討論的是最簡(jiǎn)單的，也是目前最常見的智能天線。如果接收器有一幅以上的天線，那么它能智能地組合來自不同天線接收到的信號(hào)，并識(shí)別出信號(hào)確實(shí)是來自兩個(gè)主要方向。它具有這個(gè)功能的原因是因?yàn)閮蓷l路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征(spatial signature)。由于接收器能識(shí)別這兩種不同的空間特征，因此它能組合來自兩個(gè)天線的信號(hào)，并將二者累加起來形成更強(qiáng)的組合信號(hào)。這種方式被稱為單輸入[到信道1]多輸出[自信道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術(shù)被廣泛用于2G和現(xiàn)在的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的鏈路基站側(cè)。
反過來，如果發(fā)送器有多幅天線，而接收器只有一幅天線，信號(hào)將仍沿相同的路徑傳播，因?yàn)槲锢憝h(huán)境沒變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相比，MISO的最大不同在于信號(hào)組合必須在發(fā)送端完成，而不是在接收端。通過仔細(xì)調(diào)整發(fā)送天線，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基站側(cè)有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和發(fā)送(工作在MISO模式)的天線。
在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發(fā)送器可以通過調(diào)整它的天線以讓圖2中藍(lán)色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送，而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因?yàn)榻邮掌饕灿卸喾炀€，因此它可以通過檢測(cè)不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個(gè)完全不同的數(shù)據(jù)流，從用戶看來相當(dāng)于將數(shù)據(jù)速率提高了一倍。與單獨(dú)的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢(shì)，這種MIMO優(yōu)勢(shì)的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會(huì)降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會(huì)提高信道效率和質(zhì)量。
MIMO系統(tǒng)能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數(shù)，對(duì)這一點(diǎn)的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導(dǎo)路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數(shù)據(jù)流。因此MIMO性能與系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關(guān)。幸運(yùn)的是，在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個(gè)并行數(shù)據(jù)流的散射和多徑傳播。
信息理論的研究表明，如果鏈路兩端都使用多幅天線，那么代表了數(shù)據(jù)速率上限的系統(tǒng)容量將隨天線數(shù)量的增加而呈線性增長(zhǎng)(在確定的信道前提下，并保持整體功率不變)。具有相同數(shù)量發(fā)送和接收天線的不同MIMO系統(tǒng)的理論容量如圖3所示，8×8
MIMO系統(tǒng)(即鏈路的每端有8幅天線)的容量最多可以達(dá)到單天線系統(tǒng)容量的8倍?？紤]所有的網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營和資本開支，MIMO技術(shù)提供的性能和經(jīng)濟(jì)效益要比單天線系統(tǒng)高出許多。特別是對(duì)于高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)，比如真正的寬帶接入、IPTV和大型文件傳輸，在這些應(yīng)用中受限的帶寬會(huì)引起嚴(yán)重的問題，而MIMO技術(shù)則是很有前途的一種解決方案。
圖2：具有兩個(gè)主導(dǎo)傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶數(shù)據(jù)速率加倍。值得注意的是，多天線處理可以完成波束整形，從而使信號(hào)沿著感興趣的信道傳播，而另外一個(gè)主導(dǎo)信道上不傳信號(hào)。
圖3的預(yù)測(cè)值只表征了理想系統(tǒng)的性能極限。信息理論對(duì)如何達(dá)到這些極限值沒有提供太多的實(shí)用性指導(dǎo)意見，實(shí)際系統(tǒng)面臨著如何充分利用信道提供的空間維度的挑戰(zhàn)。大體上有三種主要推薦的信道利用方法，前兩種方法著重單條鏈路的性能，第三種著重整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能：
1. 提高數(shù)據(jù)速率
上文討論的技術(shù)(如圖2中所示)通常稱為空間復(fù)用。對(duì)于有豐富散射環(huán)境的信道來說，通過在每幅天線上發(fā)送獨(dú)立的信息流可以提高數(shù)據(jù)速率，使用較為成熟的接收器技術(shù)可以將不同的數(shù)據(jù)流分離開來并進(jìn)行單獨(dú)解碼。例如使用4幅發(fā)送和4幅接收天線的系統(tǒng)容量將達(dá)到單天線系統(tǒng)的4倍。
2. 通過分集技術(shù)改善服務(wù)質(zhì)量
相反，如果在多幅天線多個(gè)符號(hào)(symbol)上發(fā)送相同的信號(hào)，那么就可以改善傳輸?shù)目煽啃?，而不是提高?shù)據(jù)速率。實(shí)際上在不同天線和不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)送多份信號(hào)拷貝的這種技術(shù)提供了空間-時(shí)間的分集。同時(shí)在空間和時(shí)間上傳播或編碼信息符號(hào)的技術(shù)被稱為空間-時(shí)間編碼技術(shù)。
3. 通過減輕干擾獲得更高的數(shù)據(jù)速率和更好的服務(wù)質(zhì)量
MIMO系統(tǒng)中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環(huán)境的方法是優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)中的射頻能量分布，盡量減少網(wǎng)絡(luò)中共信道干擾的產(chǎn)生和敏感度。本文最后部分將詳細(xì)討論這種方法。利用更高的SINR(更高的SINR可實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制等級(jí)，因此鏈路可達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率)和經(jīng)典分集(可增加鏈路穩(wěn)定性)，這種方案可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更具魯棒性的鏈路。就像在MISO系統(tǒng)中，基站用多個(gè)空間信道來實(shí)現(xiàn)客戶設(shè)備一致的組合能量那樣，這些信道被客戶端用來改善這些空間'方向'中的有效靈敏度(像SIMO系統(tǒng)那樣)，降低基站發(fā)送所需的功率。相反的過程在上行鏈路上完成。基站和客戶設(shè)備通過自動(dòng)一致地運(yùn)行降低系統(tǒng)中的干擾水平。就像后文所要討論的那樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能是廣域網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵方面，而降低干擾是提高寬帶網(wǎng)絡(luò)性能的主要驅(qū)動(dòng)力。
全球的研究實(shí)驗(yàn)室業(yè)已證明MIMO技術(shù)在早期的無線局域網(wǎng)應(yīng)用中的實(shí)際可行性，其系統(tǒng)容量非常接近實(shí)驗(yàn)室中同時(shí)使用空間復(fù)用和空間-時(shí)間編碼技術(shù)所能達(dá)到的理論預(yù)測(cè)值。由于在最初應(yīng)用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術(shù)很快走出實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用于實(shí)際的WLAN產(chǎn)品中。
MIMO早期在WiFi上取得的成功
宣傳最多的MIMO實(shí)現(xiàn)是在固定的無線局域網(wǎng)環(huán)境中，在這種環(huán)境中MIMO的最大好處是提高了單個(gè)用戶設(shè)備的吞吐量。特別是家庭和企業(yè)級(jí)WLAN所具有的多個(gè)特性使它們成為最早采納MIMO的理想候選網(wǎng)絡(luò)，這些特性包括：
1. 豐富的散射
大多數(shù)WiFi系統(tǒng)都處在有大量散射條件的環(huán)境中，如室內(nèi)或密集的城市建筑物間。在這些環(huán)境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來形成多個(gè)流。事實(shí)上，室內(nèi)環(huán)境與獲得圖3所示的容量隨天線數(shù)量增加而呈線性增長(zhǎng)所需的條件非常相似。
2. 獨(dú)立部署
獲得快速部署的一個(gè)重要因素是WiFi設(shè)備通常是最終用戶自己購買的，并且在他們自己的網(wǎng)絡(luò)中是獨(dú)立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互操作性并不成問題，就像IEEE 802.11n產(chǎn)品在公共MIMO標(biāo)準(zhǔn)獲得一致意見之前取得成功所表明的那樣，允許快速部署MIMO技術(shù)，不需要等到標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。
3. 有限的干擾
同樣關(guān)鍵的是WiFi環(huán)境非常接近研究MIMO技術(shù)的理論假設(shè)。由于WiFi網(wǎng)絡(luò)的短距離和動(dòng)態(tài)信道分配特性，MIMO接收器一般工作時(shí)沒有很大的共信道干擾。如果工作在沒有補(bǔ)償?shù)墓残诺栏蓴_環(huán)境中，這些解決方案的性能會(huì)很快下降。
MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潛在性能改善是真實(shí)的。從實(shí)驗(yàn)室結(jié)果到實(shí)際的WiFi產(chǎn)品只用了短短幾年的時(shí)間，這一事實(shí)對(duì)廣域網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商來說意味著再次取得成功的機(jī)會(huì)非常大。
廣域網(wǎng)所面臨的挑戰(zhàn)
使MIMO在WiFi產(chǎn)品中得到成功應(yīng)用的性能優(yōu)勢(shì)同樣使MIMO成為廣域無線移動(dòng)環(huán)境中的一種可能的技術(shù)選擇。然而，移動(dòng)、多蜂窩環(huán)境與WiFi射頻環(huán)境在某些方面有本質(zhì)的區(qū)別，因此移動(dòng)環(huán)境面臨諸多配置方面的挑戰(zhàn)。
1. 干擾
由于采用密集的和大蜂窩部署方式，廣域環(huán)境中的干擾特別嚴(yán)重。在這種環(huán)境中，干擾抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，為了將MIMO在WLAN的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)推廣到廣域網(wǎng)和移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，必須采用新的MIMO解決方案，并且要兼顧干擾和數(shù)據(jù)速率。
圖3：具有N幅發(fā)送和接收天線的MIMO系統(tǒng)在保持總發(fā)送功率不變的條件下理論平均容量相對(duì)信噪比(SNR)曲線。
2. 有限散射
在某些情況下，廣域散射環(huán)境只能有一條或兩條主導(dǎo)路徑。例如，如果是視距(LOS)傳播，那么就只有一條主導(dǎo)傳播路徑，也就限制了空間復(fù)用技術(shù)的使用。
3. 互操作性
在廣域網(wǎng)絡(luò)中，所有用戶都需要無縫地通過大型網(wǎng)絡(luò)(跨越地區(qū)和運(yùn)營商)與基站進(jìn)行通信，因此必須支持互操作性。像上述使用空間復(fù)用或空間-時(shí)間編碼技術(shù)的解決方案需要修改協(xié)議，因此會(huì)極大地增加廣域網(wǎng)中的MIMO解決方案產(chǎn)品的面市時(shí)間。例如，接收器需要知道發(fā)送器使用的空間-時(shí)間代碼才能正確地對(duì)數(shù)據(jù)解碼。將MIMO納入移動(dòng)系統(tǒng)的工作已經(jīng)在多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化組織中展開，比如IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn)，但具有魯棒性的商用產(chǎn)品仍需相當(dāng)一段時(shí)間才能正式上市。
這些因素使得在廣域網(wǎng)中采用MIMO會(huì)比WiFi面臨更多的挑戰(zhàn)，需要采用能夠解決大型多蜂窩網(wǎng)絡(luò)特有屬性的新解決方案。MIMO在廣域網(wǎng)中的成功實(shí)現(xiàn)將取決于下面兩個(gè)關(guān)鍵屬性：
干擾抑制。在廣域網(wǎng)中為了減少干擾，至少要部分使用通過鏈路兩端的天線陣列獲得的更多自由度。與只在單端進(jìn)行干擾抑制的系統(tǒng)相比，在發(fā)送器和接收器端同時(shí)進(jìn)行干擾抑制可以顯著地減少網(wǎng)絡(luò)干擾。
魯棒性解決方案。需要開發(fā)出能夠解決主導(dǎo)傳播路徑數(shù)量有限的方案，即使在有限散射的信道中，通過發(fā)送器和接收器端組合信號(hào)仍可以獲得顯著的性能增益。最近的研究表明，即使是只有一條主導(dǎo)傳播路徑的信道(也稱為鎖眼信道，key-hole channel)，在鏈路兩端同時(shí)使用智能天線技術(shù)仍能獲得可觀的性能增益。
用于廣域網(wǎng)的MIMO
不需要修改已有協(xié)議，也不用等到新協(xié)議完成就能在現(xiàn)有廣域網(wǎng)中獲得顯著的MIMO增益?；静捎米赃m應(yīng)陣列處理技術(shù)、移動(dòng)終端采用類似處理技術(shù)即可獲得明顯的性能改善，這就是上文提到的第三種基本MIMO方法。事實(shí)上，理論研究也指出，這是在廣域網(wǎng)中最常見的多信道條件下所采取的最佳方法。同時(shí)增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度和干擾抑制性能對(duì)推進(jìn)廣域網(wǎng)的發(fā)展、支持運(yùn)營商越來越高的帶寬和多媒體業(yè)務(wù)目標(biāo)顯得尤為重要。
下面介紹能夠平衡干擾抑制和吞吐量的解決方案?；就ㄟ^計(jì)算天線陣列的組合權(quán)重盡量減少基站方面的干擾。同樣，移動(dòng)終端使用它的天線陣列減少手機(jī)方面的干擾。由于在基站或客戶設(shè)備上都不需要特殊的鏈路編碼，因此MIMO處理的實(shí)現(xiàn)和操作可以完全獨(dú)立于每個(gè)設(shè)備。結(jié)果將形成一個(gè)自組織和自優(yōu)化的系統(tǒng)，它能連續(xù)適應(yīng)變化的干擾環(huán)境和用戶不斷變化的業(yè)務(wù)需求。由于這種MIMO方法中鏈路兩端設(shè)備是互相獨(dú)立的，因此即使在不同種類網(wǎng)絡(luò)或正在升級(jí)變化中的網(wǎng)絡(luò)(不是所有基站和客戶設(shè)備都裝備有多幅天線的網(wǎng)絡(luò))條件下也能提供優(yōu)異的性能。單天線終端可以使用SIMO(發(fā)送中)或MISO(接收中)信道簡(jiǎn)單地加入這樣的網(wǎng)格，并與多天線終端一起工作。這種干擾最小化MIMO技術(shù)所帶來的總體網(wǎng)絡(luò)性能將隨著系統(tǒng)中多天線設(shè)備的增多而日益增強(qiáng)。
本文小結(jié)
MIMO技術(shù)提供的性能增益為推動(dòng)無線通信的下一步發(fā)展提供了極具前景的動(dòng)力。為WiFi市場(chǎng)和廣域網(wǎng)提供性能增強(qiáng)的MIMO設(shè)備不久就會(huì)上市。然而，廣域移動(dòng)無線系統(tǒng)中的射頻環(huán)境與WiFi完全不同，干擾是最大的挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有了基于自適應(yīng)天線處理技術(shù)的廣域網(wǎng)MIMO解決方案，能夠在單天線系統(tǒng)中提供巨大的性能增益。這些解決方案通過多幅天線和信道內(nèi)部固有的空間維數(shù)可以完全滿足干擾和吞吐量要求。而且大部分增益性能可以在不修改協(xié)議的條件下實(shí)現(xiàn)，相信在不遠(yuǎn)的將來這些解決方案很快會(huì)得到廣泛應(yīng)用。因此，廣域MIMO應(yīng)用可能要比想象的更容易實(shí)現(xiàn)。
評(píng)論