WiMAX系统中两种多天线技术的原理和特点详述 - 全文

802.16e协议中支持MIMO（多入多出）和AAS（自适应天线系统）两种不同的多天线实现方式。本文在介绍MIMO和AAS原理的基础上。分析了各自的特点和性能,并且进行了比较。

1、引言

802.16e协议中支持MIMO（multiple input multiple output，多入多出）和自适应天线系统（adaptive antenna，system，AAS）两种不同的多天线实现方式。MIMO是一种可选技术，在上下行链路都可以选择支持，所支持的MIMO模式分为3种：空间分集（spatial diversity，SD）模式、空间复用（spatial multiplexing，SM）模式和分集与复用相结合的混合模式，即自适应MIMO（adaptive MIMO）。空间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；自适应MIMO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。

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，提高通信的可靠性等。AAS技术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。

下面详述两种多天线技术的原理和特点，并在此基础上对比两者的异同。

2、MIMO的原理与性能

MIMO也称为多发多收天线（multiple transmit multiple receive antenna，MTMRA）技术，是无线移动通信领域天线技术的重大突破，因为从理论上可以在不增加时间、频率资源的基础上成倍地提高系统容量和频谱效率。MIMO技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线，就构成了一个无线MIMO系统。根据收发两端天线数量，相对于普通的单入单出（single input single output，SISO）系统来讲，MIMO还可以包括单入多出（single input multiple output，SIMO）系统和多入单出（multiple input single output，MISO）系统。

MIMO有两种功能形式，即空间分集和空间复用。空间复用技术利用MIMO信道提供的空间复用增益，可以大大提高信道容量；空间分集利用MIMO信道提供的空间分集增益，则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

综合天线架构（发射天线数×接收天线数）和功能形式，802.16e支持的MIMO技术如下。

●支持2天线、3天线、4天线的BS（基站）的下行发射分集。

●支持2天线的MS（移动台）的上行发射分集。

●支持2天线、3天线、4天线的BS空间复用的下行发射。

●支持2天线的MS空间复用的上行发射。

2.1　空间分集

无线信号在复杂的无线信道中传播会产生瑞利衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个天线的位置间距大于相关距离（通常相隔10个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，那么，利用发射端或接收端多根天线所提供的多重传输途径，就可从多个独立的传输途径中选择或组合出衰落现象较轻微的接收信号，以维持稳定的链路质量，这样就可以实现信号空间分集，对抗衰落的影响。空间分集分为接收分集和发射分集两类。通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集，需要说明的是，空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，形成独立传输途径，以充分利用多散射体造成的多径（也称之为充分多径），天线的摆设与多路径通道需满足一定条件（在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径）。

通常采用空间—时间编码实现空间分集。空间—时间编码可以用两种不同的方法设计。

（1）空间—时间格编码

空间—时间格编码（space time Trellis code，STTC）把编码调制、分集整体考虑，首先将待发送的信息比特流送入前向纠错的信道编码器（如图1所示），并将它映射在一定的信号星座图中，如QPSK、MPSK、MQAM等星座图。Trellis编码器根据输入的符号及编码器所处的状态，决定Trellis图中的一个分支作为编码器的输出。一个分支上的n个符号，分别送至n个发送天线的支路。这n个符号分别经过脉冲成形与调制器，再直接送至n个天线。STTC能够获得满分集增益和相当高的编码增益，但无法达到全速率传输，并且搜索符合设计准则的Trellis码非常复杂，译码的复杂度较高，在802.16e中尚未涉及。

（2）空间—时间块/分组编码

空间—时间块/分组编码（space time block code，STBC）是获得空间分集的最简单方法，得到了广泛的应用。具有代表性的空时块码是由Alamouti最早提出的[1]，如图2所示的2发1收STBC，它在发射端将待传送的数据符号在空间与时间上作预先编码，并产生适当的冗余，即信号的副本不仅从另外一个天线发送，而且在另外的时间发送。

图2　用于2个发射天线的Alamouti STBC的编码过程

在接收端支持最大似然检测算法，完全采用线性处理，将空间、时间的冗余转化为分集增益（diversity gain），提高信噪比，信号的重构过程如图3所示。

图3　2×1 Alamouti STBC的译码过程

802.16e中支持上述的2×1的STBC，并且与OFDMA结合使用。

STBC设计需要考虑的问题主要包括是否能获得完全分集和码率。码率是所使用信号与传输所需要时间的比值，例如Alamouti2×1具有全码率，实现完全分集，其他的编码方案能达到最大可能传输速率的1/2或3/4。经过Tarokh等人的研究[2，3]，将STBC的设计推广至任意发射天线情况。

在良好的通道条件下，即发射的连续时间间隔内信道特性不变（平坦衰落信道），接收端所能获得的分集增益等于发射与接收天线数的乘积，另外采用空时编码后带来一定的编码增益，因此空间分集可以提高系统传输可靠性/覆盖范围。各分集方式的性能仿真结果如图4所示。

图4　各分集方式的性能比较

2.2　空间复用

空间复用是MIMO最具吸引力的功能，其原理为在发射端利用多根天线传送不同数据序列，并在接收端利用多根天线的空间自由度将该组数据序列分别解出。经过这一程序，在发射端与接收端之间形成一组虚拟的平行空间通道，可在同一时间、同一频段以同样大的功率传送多个数据序列。这样整体系统的有效数据传输率便可在不增加任何资源的前提下提升数倍，这种效益是无线通信技术发展过程中的一大突破。其理论依据是参考文献[4]，即从信息论的角度研究了多天线系统在衰落信道中的信道容量：假定接收机能准确估计信道状态信息，并保证不同发射—接收天线之间的衰落相互独立，那么，在相同的发射功率和带宽下，一个拥有n个发射天线和m个接收天线的系统能达到的容量为单天线系统的min（n,m）倍，所以信道的容量与min（n,m）成正比关系，而常规的单一天线或单边多天线系统，其系统容量与天线数目成对数关系增加。

在视距环境或者存在小区间干扰的情况下，MIMO的容量会下降，如图5所示。在低SNR条件下，增加天线的个数并不能带来容量的提升。并且仿真结果表明。随着天线间距的增大，系统的平均信道容量也在逐渐增大，但当天线间距增大到一定程度后，信道容量变化不明显。散射角越大，信道容量的增长速率越快。接收信噪比较高时，平均信道容量的上下限基本上接近于其实际值。

图5　衰落信道下的MIMO容量

典型的SM的实现方式是Bell实验室发明的分层空时编码（bell labs layered space time code，BLAST），它是目前已知的惟一一种可以使频带利用率随着min(M,N)线性增加的编码方式。

分层空时码的实现如图6所示，发端对信息串并转换后，按照一定的分层规则（水平、垂直或者对角分层空时编码）进行交织，发送到不同天线上，在接收端能准确估计信道矩阵的情况下，通过矩阵分解（干扰抵消），解代数方程（直接矩阵求逆）或者迫零反馈均衡等方法对各个发送符号进行估计，然后送入译码器。由于分层空时码在解码时只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依赖于信道环境和对信道特性估计的准确性，只有当各子信道所受的衰落差异比较大时，才能较好地恢复各个发送信号。

图6　BLAST的实现

2.3　自适应MIMO

根据信道条件选择采用STBC或者SM称为自适应MIMO，图7是自适应MIMO的性能，可见，将空时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。

图7　AMS的性能

综上所述，MIMO技术在不增加带宽与发射功率的情况下，提高无线通信的质量与数据速率，是WiMAX系统的核心技术之一，在IEEE 802.16e中得到了体现。

3、AAS的原理与特点

AAS是一种控制反馈系统，它能够利用多个天线阵元接收信号的加权组合进行信号处理，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。

波束同时指向多个用户可以实现小区间的频率复用为1，并且小区内的复用因子与天线阵元的个数成正比，通过相关合并多个信号可以得到SNR增益，并且可以将该增益对准期望用户。

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。

天线类型可以是全向，也可以是60°、90°、120°的扇区定向天线。阵元数为2或4，多数厂家计划支持4阵元天线，理论上，下行增益为10lgN dB，其中N为天线阵元个数。

AAS的优点主要体现在以下方面。

（1）覆盖性能

AAS波束成形的结果等效于增大天线的增益，提高接收灵敏度。在接收端由于天线阵列对信号进行相干接收，这样就会产生阵列或波束成形增益，该增益与接收天线的数目成正比。例如在TD-SCDMA系统中，已采用了自适应波束成形的智能天线技术，上下行理论增益为9 dB，实际值与无线环境和所采用的波束成形算法有关。采用AAS可以使发射需要的输入端信号功率降低，同时也意味着能承受更大的功率衰减量，使得覆盖距离和范围增加[5]。

（2）容量性能

AAS波束成形算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无线通信系统性能恶化，还可以利用多径的能量来改善性能。AAS具备定位和跟踪用户终端的能力，从而可以自适应地调整系统参数以满足业务要求。这表明使用AAS可以改变小区边界，能随着业务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道，即实现信道的动态分配。利用空分多址可以提高频谱利用率，提高系统的容量。

（3）干扰改善和容量

智能天线系统应用于移动通信时最重要的性能之一就是消除邻道干扰。邻道干扰是由使用同一组信道频率的通信设备同时发射信号时产生的。而直接将波束对准目标信号，通过自适应波束成形算法形成特定的波束图，在干扰方向实现很低的增益甚至零陷，将波束零点对准其他接收机，这样就能降低发送模式下的邻道干扰。在接收模式下，只要已知信号源的方位，就可以使用干扰抵消策略来降低邻道干扰。通过不同方法精确地控制发射功率就会减小干扰，AAS波束成形后，只有来自主瓣和较大副主瓣方向的信号才会对有用信号形成干扰，大大降低了多用户干扰问题，同时波束成形后也大大减少了小区间干扰，从而增加使用同样资源的用户数目，即增加系统容量[6]。

（4）节省功率

AAS可以对特定用户的传输进行优化，这样就会使发射功率降低，从而降低放大器的成本。

（5）定位与切换

AAS获取的DOA提供了用户终端的方位信息，可以用来实现用户定位。AAS获得的移动用户位置信息，可以实现接力切换，避免了软切换中所占用的无线资源，提高了系统效率。

4、MIMO与AAS的比较

AAS和MIMO这两种技术都是使用多天线去改进信号的发送和接收特性，但二者的方法和特点完全不同。MIMO是一种利用多路复用技术增加信道容量和改善信号质量的天线技术，而AAS是一种定向信号处理技术，它能够增强在某一特定方向发出的信号强度。AAS阵元间距为1/2波长，基站MIMO阵元间距为10～15波长，AAS的发射数据流是相关的，仅存在相位差，而MIMO的发射数据流是近似独立的。MIMO可为每一用户提供多个信道，而AAS为每一用户提供独立的空间窄波束。

4.1　信道容量

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信道容量。AAS产生单个的能量非常集中的波束，从理论上讲，信道容量随AAS阵列个数呈对数增长关系。而MIMO的信道容量随天线数目线性增长，因此在相同天线数量下，MIMO比AAS能获得更大的信道容量。

4.2　覆盖

AAS技术是利用天线阵列，加权形成定向波束，并把波束对准数据将要到达的用户，以提高接收用户的接收信噪比，进而提高小区覆盖增益。AAS技术比较适合在地形平坦、障碍物少、无线传输环境简单的区域使用，在这些区域AAS能获得很好的增益。

MIMO分集技术是在多个传输信道上发送相同的信息，小区边缘的用户通过组合多个方向的信号进行空时解码来恢复原始数据，从而提高了接收信噪比，有效扩大小区覆盖范围。空间分集模式并不一定需要多径环境，它通过自身的空时编码机制，在非多径环境下能获得同样的分集效果。

因此，MIMO技术在开阔地型区域能获得和AAS相似的覆盖能力，而在郊区或市区等地形复杂区域，多径现象明显，AAS技术将面临较大的角度扩散从而导致增益下降。

5、结束语

以上讨论了WiMAX系统中支持的多天线技术MIMO和AAS的原理、实现方式和特点，并进行了简单的对比。MIMO和AAS与OFDMA结合后在衰落信道中的性能能否达到理论上的预期，能否满足802.16e支持高速移动的前提下，提升容量和质量的要求，将是作者下一步研究的重点。