MIMO技術在移動WiMAX中的應用

MIMO(MultipleInputMultipleOutput，多輸入多輸出)技術是下一代通信技術的一個重要突破，本文依據(jù)華為的系統(tǒng)仿真研究結果和外場實際測試結果，從網(wǎng)絡覆蓋增強、系統(tǒng)容量提升和降低建網(wǎng)成本等角度，對MIMO技術在移動WiMAX系統(tǒng)中的應用進行探索和分析。

近年來，全球基于傳統(tǒng)線纜技術的寬帶用戶快速增長，3G移動用戶數(shù)也在穩(wěn)步增長。市場對于移動寬帶的需求正在快速增加，這為無線寬帶接入技術提供了巨大的市場空間。

WiMAX802.16e正越來越多地被運營商采用為首選的固定和移動寬帶接入策略，為終端用戶提供豐富的高寬帶多媒體業(yè)務。這些策略對運營商的無線網(wǎng)絡提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建立和維持贏利的商業(yè)模式，需要對網(wǎng)絡容量、用戶吞吐量、網(wǎng)絡覆蓋質量作較大的改進。MIMO多天線技術的應用，使802.16e能夠應對這些挑戰(zhàn)，從而有力推動WiMAX網(wǎng)絡的發(fā)展。

MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量。MIMO技術對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務。N根發(fā)射天線和M根接收天線的MIMO系統(tǒng)框圖如下圖所示。

N根發(fā)射和M根接收MIMO的系統(tǒng)示意圖

WiMAX802.16e定義了三種可選的MIMO方式，分別是STTD(SpacetimeTransmit Diversity , 空時發(fā)射分集)、SM(Spatial Multiplexing, 空分復用)和自適應切換方式，同時定義了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3種編碼矩陣。華為公司W(wǎng)iMAX 802.16e系統(tǒng)目前已全面支持Matrix A，并將在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。

WiMAX802.16e系統(tǒng)中，MIMO技術與OFDMA技術結合使用，可以大幅提高網(wǎng)絡覆蓋能力，使WiMAX系統(tǒng)容量倍增，從而大幅降低網(wǎng)絡建設成本和維護成本，有力推動了移動WiMAX發(fā)展。

與OFDMA完美結合

MIMO可以應用于所有的無線通信技術。在WiMAX802.16e系統(tǒng)中，MIMO和OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交頻分復用接入) 的完美結合，更能體現(xiàn)出MIMO的技術優(yōu)勢。

MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍然無能為力，其他通信系統(tǒng)一般采用均衡技術來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。WiMAX的OFDMA技術可以很好地克服頻率選擇性衰落。下一代移動通信需要高的頻譜利用率技術，但OFDMA提高頻譜利用率的能力畢竟有限。結合MIMO技術，可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下進一步提高頻譜效率。MIMO+ OFDMA技術既可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又可以通過分集達到很強的可靠性和增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外，OFDMA由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有很強的抗多徑干擾能力，多徑時延小于保護間隔使系統(tǒng)不受碼間干擾的影響，這樣就可以使單頻網(wǎng)絡使用寬帶OFDMA系統(tǒng)依靠MIMO技術消除陰影效應，真正實現(xiàn)網(wǎng)絡的無縫覆蓋。

大幅提高網(wǎng)絡覆蓋能力

WiMAX802.16e由于采用較高的工作頻段，傳播損耗比其他移動通信系統(tǒng)高，如何擴展網(wǎng)絡覆蓋能力也是WiMAX面臨的挑戰(zhàn)之一。MIMO技術在 WiMAX系統(tǒng)的應用，可以大幅度提高網(wǎng)絡覆蓋能力。MIMO在分集模式下，通過分集增益增加小區(qū)覆蓋半徑;在復用模式下，通過提升小區(qū)邊緣速率獲得的分集增益來提升小區(qū)覆蓋半徑;在自適應切換模式下，小區(qū)邊緣工作在分集模式下，覆蓋增益與僅分集模式相同。通過華為公司的系統(tǒng)仿真結果表明，在分集或自適應切換模式下，2T2R(2Transmit2 Receive，兩路發(fā)射兩路接收)MIMO相比SISO(Single Input Single Output，單輸入單輸出)有2～10dB的覆蓋增益，覆蓋半徑增加50%～90%;僅復用模式下，在小區(qū)邊緣可以間接獲得3～5dB的覆蓋增益。另外 MIMO還可以有效提高小區(qū)邊緣覆蓋概率。

2007年8月，在日本東京，華為與當?shù)剡\營商J:COM一起對MIMO的實際使用效果進行了測試。測試結果表明，采用MIMOMatrixA技術可以有效提高WiMAX802.16e系統(tǒng)的覆蓋半徑，可以大幅減少網(wǎng)絡建設所需要的基站數(shù)目。

使系統(tǒng)容量倍增

WiMAX802.16e系統(tǒng)可提供極高的數(shù)據(jù)吞吐量和移動性，讓用戶能夠隨時在線，即使處于移動狀態(tài)也能獲得真正的寬帶體驗。MIMO技術在復用模式下，可以成倍提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率，并可以成 倍提高單用戶峰值速率;在分集模式下，通過增加高階調制方式的比例來提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率;在自適應切換模式下，小區(qū)中心工作在復用模式，小區(qū)邊緣工作在分集模式，因此系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率增強效果介于兩者之間。OFDMA和MIMO技術的應用，使 WiMAX802.16e系統(tǒng)能夠最大程度地提高頻譜效率，提供高品質移動視頻和電視業(yè)務所需的高速度和高帶寬。

華為公司的系統(tǒng)仿真結果表明，采用MIMO2×2MatrixB技術后，可以提升WiMAX 16e系統(tǒng)吞吐量約30%～60%，同時可以成倍提高用戶的峰值速率，保證WiMAX用戶獲得更好的業(yè)務體驗。

大幅降低網(wǎng)絡建網(wǎng)和維護成本

在密集城區(qū)和CBD區(qū)域，高端用戶多，對系統(tǒng)吞吐量和峰值速率要求高，容易出現(xiàn)容量受限的情況。采用MIMOMatrixB技術后，WiMAX系統(tǒng)下行容量提升55%，上行容量提升33%;在容量受限場景，基站數(shù)目將減少25%左右。相比其他多天線技術如AAS(Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System，自適應天線系統(tǒng)，也稱作先進天線系統(tǒng)),MIMO在密集城區(qū)

的容量增益優(yōu)勢更為明顯，可以有效降低高話務區(qū)域的建網(wǎng)成本或擴容成本。

對于覆蓋受限場景，采用MIMO技術可以增加50%以上的覆蓋半徑，使單站點覆蓋面積增加近100%，在一定覆蓋面積下可節(jié)省40%～60%的基站數(shù)目。在郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域引入MIMO，可實現(xiàn)最少基站的最大覆蓋，大幅降低初始建網(wǎng)成本。

另外，在安裝和維護方面，AAS天線最少為4波束天線，需要較高的天線安裝空間;AAS天線相比傳統(tǒng)天線，所需饋線大大增加，增加工程量，同時鐵塔走線架的寬度也得加寬;AAS采用的天線重量大，對安裝承載能力要求提高;另外AAS天線體積較大，防風能力差，抗風阻性要求高，不適合在風力大或者是臺風多發(fā)區(qū)域使用。MIMO相比AAS，需要的天線數(shù)目少，一根普通的±45度雙極化的天線就可以支持2×2MIMO，對天線安裝空間和承重要求低，容易部署、維護，可有效節(jié)省天線安裝成本和維護成本。

結束語

隨著寬帶數(shù)據(jù)用戶和移動通信用戶的迅速發(fā)展，以及從窄帶語音通信向寬帶高速數(shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡容量，如何在一定的站點數(shù)目下提升網(wǎng)絡覆蓋性能，成為將來通信網(wǎng)絡建設中需要重點考慮的問題。WiMAX802.16e系統(tǒng)引入MIMO多天線技術，并與OFDMA進行完美結合，通過增強系統(tǒng)在空間上的分辨能力，提高頻譜利用率并提升網(wǎng)絡的容量和覆蓋性能，從而降低網(wǎng)絡建設成本和維護成本，使WiMAX802.16e逐漸成為最有競爭力的無線寬帶接入技術。