多天线技术在WiMAX系统中的应用教程 - 全文

WiMAX(全球互通微波接入)技术是以IEEE 802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，可以在固定和移动的环境中提供高速的数据、语音和视频等业务，兼具了移动、宽带和IP化的特点，近年来发展迅速，逐渐成为宽带无线接入领域的发展热点之一。 作为解决最后一公里的最佳接入方式的无线宽带接入技术，WiMAX必须采用多天线技术来提高自身的竞争力。

1 多天线技术的优势

随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的“瓶颈”。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的热点课题之一。

多天线技术因其能在不增加带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而获得广泛的青睐。

1.1 多天线相比于单天线的优势

多天线技术相比单天线技术具有如下优势：

(1)阵列增益

使用多天线后增加了信号的相干性，从而获得阵列增益。

(2)分集增益

提高了分集增益。分集增益是通过利用多径来获得的，当某一条路径性能变坏时不会影响系统的性能。在无线衰落信道里，可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输信息的可靠性。分集增益可以在空间(天线)、时域(时间)和频域(频率)3个维度上获得。

(3)共信道干扰消除

消除了共信道干扰。使用多天线后通过分析干扰的不同信道响应，消除共信道的干扰信号。

1.2 多天线技术的经济性

(1)提高传输容量，降低高话务区域建网成本

随着数据业务的不断推广，尤其是手机电视、高速无线上网等业务的应用，用户对数据业务的需求不断增加，在密集城区、热点地区等高话务区域，网络的部署将受限于容量。另外由于数据业务的不对称性，容量的大小往往受限于下行速率的高低。基于这些特点，以混合组网为例，使用2×2接收分集的多输入多输出(MIMO)将使单站点容量提升近20%。通过计算，在区域覆盖面积和容量需求不变的情况下，使用2×2接收分集的MIMO相比于1×2接收分集可以节省基站数目15%以上，从而大大减少高话务区域建网成本。

(2)降低扩容成本

在使用基于多天线技术的接收机的情况下，使用2×2接收分集的MIMO天线可使扇区的吞吐率提升40%～60%，特别是在多径环境较复杂的密集城区、城区、室内等微蜂窝情况下扇区吞吐率可提升接近60%，而这些微蜂窝恰恰就是容量需求较高的区域。

在不增加载频和基站数目的情况下，通过使用多天线技术作为扩容方案既可以满足容量的需求又可以大大减少扩容成本，真正实现低成本快速扩容。

(3)增加收发信机和天馈系统成本

多天线技术的引入使得收发信机的处理过程变得更加复杂：基站必须支持2个以上独立的发射通道(两天线独立地编码、调制、扩频和发送)和2个空间数据流的上行反馈信令(如CQI、ACK/NACK等信令)处理。这些都将在一定程度上增加基站和终端成本，另外多天线本身及天馈系统的安装也将比普通天线更加复杂。因此多天线的引入也将在一定程度上增加基站和天馈系统成本。无疑，一方面通过多天线技术提高传输容量，在按流量收费情况下，多天线技术可为运营商带来成倍增长的利润空间；另一方面，采用多天线技术会对基站和终端带来更大的实现复杂性。相对而言，除必要的信令和测量信息，在升级中使用多天线技术对网络的影响较小。

通常从运营成本角度出发，需在综合考虑系统和设备复杂性的影响下合理使用多天线技术。

IEEE 802.16标准支持诸如Alamouti方案的空时码、自适应天线(AAS)和MIMO技术在内的多天线技术。作为一种能有效改善系统抗衰落性能的技术，IEEE802.16e将通过空时编码实现的发射分集作为标准的一个可选项。

2 多天线技术在WiMAX系统中的应用

2.1 自适应天线系统

AAS可以实现系统参数自动调整，获得信噪比(SNR)增益，减少同频干扰。自适应天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望信号到达方向，同时对干扰形成零陷，抑制干扰，实现期望信号的最佳接收。

在WiMAX系统中AAS的设计和应用都是基于时分复用(TDD)模式。因为在TDD模式下，上行和下行共用相同的频带资源，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(终端)可以利用上下行信道的互惠性比较方便地计算波束形成的权值。而在频分复用(FDD)模式下，上行和下行的信道一般是不同的，难以通过上(下)行的信息获得下(上)行信道信息。要想计算波束形成的权值，只有通过反馈，这将增大整个系统的开销。 在WiMAX体系中，AAS是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用AAS技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。AAS在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式。

2.2 多输入多输出技术

MIMO技术最早是由Marconi于1908年提出来的，它利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。根据收发天线的数量，MIMO还可以包括单输入多输出(SIMO)和多输入单输出(MISO)。

MIMO技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO技术可以看作是智能天线的扩展。广义的MIMO技术包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号(信号的具体形式不一定完全相同)，达到空间分集的效果，从而提高信道的可靠性，降低误码率。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。WiMAX协议中同时使用空时编码和空间复用的形式，可以显著地提高系统的容量和频谱利用率。

目前MIMO已经成为了IEEE 802.16中多天线的一个选项，并且在IEEE802.16e中也得到了体现。802.16协议支持的MIMO模式分为3种：空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。

2.2.1 空时发射分集

发射分集最大的优点在于可以在基站端使用多天线，可以避免在接收端使用多天线对终端设备造成的压力，从而减少802.16市场化时带来的阻碍。

在MIMO中，空时发射分集模式主要通过空时编码来实现。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。使用空时码时，在发端不知道信道状态信息的情况下，系统仍能实现最大分集增益。常见的空时码有空时分组码(STBC)和空时格码 (STTC)，其中STBC因其相对简单的编译码过程而获得了广泛的应用。

802.16d标准中采用两根发射天线的发射分集，以对抗阻挡视距和非直视距造成的深衰落，主要依据的就是Alamouti方案的空时码 (STC)编码，该方案的关键特性是两根发射天线的两个序列之间的正交性。对两发射天线系统，Alamouti编码能获得最大的分集增益，并且从编码发展的历史上说，Alamouti方案是为发射天线数为2的系统提供完全发射分集增益的一种空时分组码，且译码时只需要对接收信号进行简单的处理，大大减化了计算的复杂度。

2.2.2 空间复用

空间复用技术是指在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，主要是为了提高系统的传输速率。目前利用空分复用的方法来提高信道容量的方法主要是各种分层空时码(如BLAST)。贝尔实验室分层空时算法(BLAST)结构不是通过信号变换(编码、调制、映射等)引入符号间的正交性，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性。

BLAST结构主要分为垂直-贝尔实验室分层空时算法(V-BLAST)和对角线-贝尔实验室分层空时算法(D-BLAST)：V-BLAST 将M个比特流编码、映射和交织后通过互相独立的天线发射出去，充分发掘了分集增益，而且每一个信息流可以单独检测。D-BLAST也先经过相同的处理，但是各编码块分配给不同的天线发送，从而减小了因某一个独立信道传输效果较差而导致的系统整体性能的下降，但意味着更加复杂的收发设备。

BLAST结构最大程度上发掘了频谱效率，但是一般需要接收天线数目大于或等于传输天线数目，而这一点在下行链路难以实现；另外因为使用不同的链路传输独立的信号，那么如果一条链路被损坏，那么将面对不可挽回的错误。

2.2.3 分集与复用相结合

空时发射分集能获得额外的分集增益和编码增益，但不能提高数据速率；空间复用虽然能最大化MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空时发射分集和空间复用相结合的方案既能提供分集增益又可以提高系统容量，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折衷，但是处理起来比单独使用分集或复用要复杂一些。

2.2.4 智能MIMO

移动WiMAX还支持各种MIMO模式之间的自适应MIMO转换(AMS)，这也叫做智能MIMO。如图1所示。智能MIMO根据信道条件，选择合适的MIMO模式，在不降低覆盖范围的情况下提高频谱利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同场景带来的不确定性，使MIMO技术具有更广泛的应用场景。如对于同网络下的不同终端，其天线数目可能是不同的，因而若在同一小区采用相同的MIMO传输方法，难以达到优化设计目标。此外，用户经历的衰落也是不一样的，自适应选择不同MIMO技术以适应信道变化，可以优化系统性能。为支持自适应MIMO模式选择，发射端需要得到更多的包括信道或权重的反馈信息。

对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高服务质量(QoS)是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于单输入单输出(SISO)系统，如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着SISO系统的发展，所以MIMO是未来移动通信的关键技术。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在WiMAX中都得到了应用。WiMAX还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式，支持MIMO是协议中的一种可选方案。

2.3 AAS和MIMO的比较

AAS和MIMO都是802.16协议中提到的WiMAX的多天线技术，但其工作原理和应用场景却不尽相同，下面对这两种技术加以比较。

(1)系统容量

AAS和MIMO都是利用多天线来增强传输信号，获得相比于单天线而言额外的系统容量。AAS产生单个的能量非常集中的波束，从理论上讲，系统的容量随波束强度呈对数增长关系。在WiMAX系统中，对基本的SISO配置，基站的吞吐量为25 Mb/s，4阵元AAS相比SISO能提高吞吐量50%而达到33 Mb/s，8阵元AAS吞吐量能达到38 Mb/s，而MIMO系统的容量随天线数目线性增长，2×2 MIMO系统的容量是SISO系统的2倍，4×4 MIMO系统的容量是2×2系统的2倍。因此MIMO比AAS能获得更大的系统容量。

(2)移动性

802.16e相比于802.16d最大的改进之一便是支持移动环境，AAS是靠对信道准确可靠地估计来获得波束形成的权值。在移动环境下信道变化很快，信道估计将变得很复杂，如在带宽3.5 GHz、终端移动速率30 km/s的系统中，每毫秒需要做一次信道估计才能保证性能，系统开销很大。因此在高速移动环境，AAS几乎无法工作。而MIMO在发送端可以不需要信道信息，能够适用于移动的环境。

(3)其他

由于AAS需要信道信息，所以在一定程度上限定了其工作模式必须是TDD，而MIMO无论在TDD还是在FDD模式下都可以正常使用。MIMO可以和正交频分复用(OFDM)技术相结合来达到更好的性能，这也是未来移动通信技术的趋势之一。

MIMO技术非常适合城市范围内多径环境下的无线信号处理，包括提供空间分集以及多路信道并行传输，是提高WiMAX系统覆盖范围及吞吐量的合适技术。自适应天线则有利于提高基站与运动物体的方向性空间增益以及对干扰信号的方向性抑制。不过，在城市多径弥散的环境中，MIMO可能将会更受设备开发商的欢迎。所以说，MIMO技术更能适合WIMAX发展的需要，在WiMAX系统中必须要支持基本的MIMO工作机制才能和其他的技术兼容，才能使 WiMAX更具有竞争力。

3 结束语

随着多媒体业务不断地推陈出新，无线接入技术正呈现高带宽和IP化的趋势，游牧和移动宽带接入将成为未来通信市场化的重要需求。WiMAX是为这一需求专门发展的宽带无线接入技术，性能优，效率高，成本低，通过灵活的体制配置可以满足各种应用场景的要求。面对当前竞争激烈的无线通信市场，WiMAX要想站稳脚步就必须采用先进的技术，在保持自己大容量、广覆盖、非视距传输和标准统一等优势的同时，快速地将现有技术优势转化为产品优势、扩大商用规模。在WiMAX的关键技术中，AAS和MIMO等多天线技术因能大大提高无线通信系统的能力而成为众多WiMAX厂商关注的热点之一。需要根据不同的场景选择合适的多天线技术，使系统的性能达到最优。同时更要关注多天线技术实际应用的成本，以及和其他技术(如OFDM、OFDM等)的结合，使WiMAX面对长期演进(LTE)和无线接口演进(AIE)的竞争能够异军突起，成为真正解决最后一公里接入方式的最佳无线宽带接入技术。