WiMAX系統(tǒng)中多天線技術(shù)的應(yīng)用研究

摘要　802.16e協(xié)議中支持MIMO（多入多出）和AAS（自適應(yīng)天線系統(tǒng)）兩種不同的多天線實現(xiàn)方式。本文在介紹MIMO和AAS原理的基礎(chǔ)上。分析了各自的特點和性能,并且進行了比較。

1、引言

802.16e協(xié)議中支持MIMO（multiple input multiple output，多入多出）和自適應(yīng)天線系統(tǒng)（adaptive antenna，system，AAS）兩種不同的多天線實現(xiàn)方式。MIMO是一種可選技術(shù)，在上下行鏈路都可以選擇支持，所支持的MIMO模式分為3種：空間分集（spatial diversity，SD）模式、空間復(fù)用（spatial multiplexing，SM）模式和分集與復(fù)用相結(jié)合的混合模式，即自適應(yīng)MIMO（adaptive MIMO）?？臻g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；自適應(yīng)MIMO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使用分集或復(fù)用要復(fù)雜。

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，擴大覆蓋范圍，提高通信的可靠性等。AAS技術(shù)在實現(xiàn)時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。

下面詳述兩種多天線技術(shù)的原理和特點，并在此基礎(chǔ)上對比兩者的異同。

2、MIMO的原理與性能

MIMO也稱為多發(fā)多收天線（multiple transmit multiple receive antenna，MTMRA）技術(shù)，是無線移動通信領(lǐng)域天線技術(shù)的重大突破，因為從理論上可以在不增加時間、頻率資源的基礎(chǔ)上成倍地提高系統(tǒng)容量和頻譜效率。MIMO技術(shù)的概念非常簡單，任何一個無線通信系統(tǒng)，只要其發(fā)射端和接收端均采用了多個天線，就構(gòu)成了一個無線MIMO系統(tǒng)。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對于普通的單入單出（single input single output，SISO）系統(tǒng)來講，MIMO還可以包括單入多出（single input multiple output，SIMO）系統(tǒng)和多入單出（multiple input single output，MISO）系統(tǒng)。

MIMO有兩種功能形式，即空間分集和空間復(fù)用?？臻g復(fù)用技術(shù)利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益，可以大大提高信道容量；空間分集利用MIMO信道提供的空間分集增益，則可以提高信道的可靠性，降低信道誤碼率。

綜合天線架構(gòu)（發(fā)射天線數(shù)×接收天線數(shù)）和功能形式，802.16e支持的MIMO技術(shù)如下。

●支持2天線、3天線、4天線的BS（基站）的下行發(fā)射分集。

●支持2天線的MS（移動臺）的上行發(fā)射分集。

●支持2天線、3天線、4天線的BS空間復(fù)用的下行發(fā)射。

●支持2天線的MS空間復(fù)用的上行發(fā)射。

2.1　空間分集

無線信號在復(fù)雜的無線信道中傳播會產(chǎn)生瑞利衰落，在不同空間位置上其衰落特性不同。如果兩個天線的位置間距大于相關(guān)距離（通常相隔10個信號波長以上），就認(rèn)為兩處的信號完全不相關(guān)，那么，利用發(fā)射端或接收端多根天線所提供的多重傳輸途徑，就可從多個獨立的傳輸途徑中選擇或組合出衰落現(xiàn)象較輕微的接收信號，以維持穩(wěn)定的鏈路質(zhì)量，這樣就可以實現(xiàn)信號空間分集，對抗衰落的影響?？臻g分集分為接收分集和發(fā)射分集兩類。通?？梢哉J(rèn)為SIMO系統(tǒng)是接收分集，MISO系統(tǒng)是發(fā)射分集，需要說明的是，空間分集適于在多散射體的多徑情況下應(yīng)用，天線間距應(yīng)適當(dāng)拉開以保證發(fā)射、接收信號的相互獨立性，形成獨立傳輸途徑，以充分利用多散射體造成的多徑（也稱之為充分多徑），天線的擺設(shè)與多路徑通道需滿足一定條件（在多徑傳播環(huán)境中，增大陣元間距與角度擴展以及結(jié)合空時處理都有利于捕獲、分離與合并多徑）。

通常采用空間—時間編碼實現(xiàn)空間分集?？臻g—時間編碼可以用兩種不同的方法設(shè)計。

（1）空間—時間格編碼

空間—時間格編碼（space time Trellis code，STTC）把編碼調(diào)制、分集整體考慮，首先將待發(fā)送的信息比特流送入前向糾錯的信道編碼器（如圖1所示），并將它映射在一定的信號星座圖中，如QPSK、MPSK、MQAM等星座圖。Trellis編碼器根據(jù)輸入的符號及編碼器所處的狀態(tài)，決定Trellis圖中的一個分支作為編碼器的輸出。一個分支上的n個符號，分別送至n個發(fā)送天線的支路。這n個符號分別經(jīng)過脈沖成形與調(diào)制器，再直接送至n個天線。STTC能夠獲得滿分集增益和相當(dāng)高的編碼增益，但無法達到全速率傳輸，并且搜索符合設(shè)計準(zhǔn)則的Trellis碼非常復(fù)雜，譯碼的復(fù)雜度較高，在802.16e中尚未涉及。

（2）空間—時間塊/分組編碼

空間—時間塊/分組編碼（space time block code，STBC）是獲得空間分集的最簡單方法，得到了廣泛的應(yīng)用。具有代表性的空時塊碼是由Alamouti最早提出的[1]，如圖2所示的2發(fā)1收STBC，它在發(fā)射端將待傳送的數(shù)據(jù)符號在空間與時間上作預(yù)先編碼，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)娜哂?，即信號的副本不僅從另外一個天線發(fā)送，而且在另外的時間發(fā)送。

圖2　用于2個發(fā)射天線的Alamouti STBC的編碼過程

在接收端支持最大似然檢測算法，完全采用線性處理，將空間、時間的冗余轉(zhuǎn)化為分集增益（diversity gain），提高信噪比，信號的重構(gòu)過程如圖3所示。

圖3　2×1 Alamouti STBC的譯碼過程

802.16e中支持上述的2×1的STBC，并且與OFDMA結(jié)合使用。

STBC設(shè)計需要考慮的問題主要包括是否能獲得完全分集和碼率。碼率是所使用信號與傳輸所需要時間的比值，例如Alamouti2×1具有全碼率，實現(xiàn)完全分集，其他的編碼方案能達到最大可能傳輸速率的1/2或3/4。經(jīng)過Tarokh等人的研究[2，3]，將STBC的設(shè)計推廣至任意發(fā)射天線情況。

在良好的通道條件下，即發(fā)射的連續(xù)時間間隔內(nèi)信道特性不變（平坦衰落信道），接收端所能獲得的分集增益等于發(fā)射與接收天線數(shù)的乘積，另外采用空時編碼后帶來一定的編碼增益，因此空間分集可以提高系統(tǒng)傳輸可靠性/覆蓋范圍。各分集方式的性能仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　各分集方式的性能比較

2.2　空間復(fù)用

空間復(fù)用是MIMO最具吸引力的功能，其原理為在發(fā)射端利用多根天線傳送不同數(shù)據(jù)序列，并在接收端利用多根天線的空間自由度將該組數(shù)據(jù)序列分別解出。經(jīng)過這一程序，在發(fā)射端與接收端之間形成一組虛擬的平行空間通道，可在同一時間、同一頻段以同樣大的功率傳送多個數(shù)據(jù)序列。這樣整體系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)傳輸率便可在不增加任何資源的前提下提升數(shù)倍，這種效益是無線通信技術(shù)發(fā)展過程中的一大突破。其理論依據(jù)是參考文獻[4]，即從信息論的角度研究了多天線系統(tǒng)在衰落信道中的信道容量：假定接收機能準(zhǔn)確估計信道狀態(tài)信息，并保證不同發(fā)射—接收天線之間的衰落相互獨立，那么，在相同的發(fā)射功率和帶寬下，一個擁有n個發(fā)射天線和m個接收天線的系統(tǒng)能達到的容量為單天線系統(tǒng)的min（n,m）倍，所以信道的容量與min（n,m）成正比關(guān)系，而常規(guī)的單一天線或單邊多天線系統(tǒng)，其系統(tǒng)容量與天線數(shù)目成對數(shù)關(guān)系增加。

在視距環(huán)境或者存在小區(qū)間干擾的情況下，MIMO的容量會下降，如圖5所示。在低SNR條件下，增加天線的個數(shù)并不能帶來容量的提升。并且仿真結(jié)果表明。隨著天線間距的增大，系統(tǒng)的平均信道容量也在逐漸增大，但當(dāng)天線間距增大到一定程度后，信道容量變化不明顯。散射角越大，信道容量的增長速率越快。接收信噪比較高時，平均信道容量的上下限基本上接近于其實際值。

圖5　衰落信道下的MIMO容量

典型的SM的實現(xiàn)方式是Bell實驗室發(fā)明的分層空時編碼（bell labs layered space time code，BLAST），它是目前已知的惟一一種可以使頻帶利用率隨著min(M,N)線性增加的編碼方式。

分層空時碼的實現(xiàn)如圖6所示，發(fā)端對信息串并轉(zhuǎn)換后，按照一定的分層規(guī)則（水平、垂直或者對角分層空時編碼）進行交織，發(fā)送到不同天線上，在接收端能準(zhǔn)確估計信道矩陣的情況下，通過矩陣分解（干擾抵消），解代數(shù)方程（直接矩陣求逆）或者迫零反饋均衡等方法對各個發(fā)送符號進行估計，然后送入譯碼器。由于分層空時碼在解碼時只利用了信道信息，所以其性能在很大程度上依賴于信道環(huán)境和對信道特性估計的準(zhǔn)確性，只有當(dāng)各子信道所受的衰落差異比較大時，才能較好地恢復(fù)各個發(fā)送信號。

圖6　BLAST的實現(xiàn)

2.3　自適應(yīng)MIMO

根據(jù)信道條件選擇采用STBC或者SM稱為自適應(yīng)MIMO，圖7是自適應(yīng)MIMO的性能，可見，將空時分集和空間復(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。

圖7　AMS的性能

綜上所述，MIMO技術(shù)在不增加帶寬與發(fā)射功率的情況下，提高無線通信的質(zhì)量與數(shù)據(jù)速率，是WiMAX系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，在IEEE 802.16e中得到了體現(xiàn)。

3、AAS的原理與特點

AAS是一種控制反饋系統(tǒng)，它能夠利用多個天線陣元接收信號的加權(quán)組合進行信號處理，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)期望信號到達方向，同時對干擾形成零陷，抑制干擾，實現(xiàn)期望信號的最佳接收。

波束同時指向多個用戶可以實現(xiàn)小區(qū)間的頻率復(fù)用為1，并且小區(qū)內(nèi)的復(fù)用因子與天線陣元的個數(shù)成正比，通過相關(guān)合并多個信號可以得到SNR增益，并且可以將該增益對準(zhǔn)期望用戶。

在WiMAX系統(tǒng)中，AAS的設(shè)計和應(yīng)用都是基于時分復(fù)用（TDD）模式。因為在TDD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)。

天線類型可以是全向，也可以是60°、90°、120°的扇區(qū)定向天線。陣元數(shù)為2或4，多數(shù)廠家計劃支持4陣元天線，理論上，下行增益為10lgN dB，其中N為天線陣元個數(shù)。

AAS的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）覆蓋性能

AAS波束成形的結(jié)果等效于增大天線的增益，提高接收靈敏度。在接收端由于天線陣列對信號進行相干接收，這樣就會產(chǎn)生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數(shù)目成正比。例如在TD-SCDMA系統(tǒng)中，已采用了自適應(yīng)波束成形的智能天線技術(shù)，上下行理論增益為9 dB，實際值與無線環(huán)境和所采用的波束成形算法有關(guān)。采用AAS可以使發(fā)射需要的輸入端信號功率降低，同時也意味著能承受更大的功率衰減量，使得覆蓋距離和范圍增加[5]。

（2）容量性能

AAS波束成形算法可以將多徑傳播綜合考慮，克服了多徑傳播引起數(shù)字無線通信系統(tǒng)性能惡化，還可以利用多徑的能量來改善性能。AAS具備定位和跟蹤用戶終端的能力，從而可以自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以滿足業(yè)務(wù)要求。這表明使用AAS可以改變小區(qū)邊界，能隨著業(yè)務(wù)需求的變化為每個小區(qū)分配一定數(shù)量的信道，即實現(xiàn)信道的動態(tài)分配。利用空分多址可以提高頻譜利用率，提高系統(tǒng)的容量。

（3）干擾改善和容量

智能天線系統(tǒng)應(yīng)用于移動通信時最重要的性能之一就是消除鄰道干擾。鄰道干擾是由使用同一組信道頻率的通信設(shè)備同時發(fā)射信號時產(chǎn)生的。而直接將波束對準(zhǔn)目標(biāo)信號，通過自適應(yīng)波束成形算法形成特定的波束圖，在干擾方向?qū)崿F(xiàn)很低的增益甚至零陷，將波束零點對準(zhǔn)其他接收機，這樣就能降低發(fā)送模式下的鄰道干擾。在接收模式下，只要已知信號源的方位，就可以使用干擾抵消策略來降低鄰道干擾。通過不同方法精確地控制發(fā)射功率就會減小干擾，AAS波束成形后，只有來自主瓣和較大副主瓣方向的信號才會對有用信號形成干擾，大大降低了多用戶干擾問題，同時波束成形后也大大減少了小區(qū)間干擾，從而增加使用同樣資源的用戶數(shù)目，即增加系統(tǒng)容量[6]。

（4）節(jié)省功率

AAS可以對特定用戶的傳輸進行優(yōu)化，這樣就會使發(fā)射功率降低，從而降低放大器的成本。

（5）定位與切換

AAS獲取的DOA提供了用戶終端的方位信息，可以用來實現(xiàn)用戶定位。AAS獲得的移動用戶位置信息，可以實現(xiàn)接力切換，避免了軟切換中所占用的無線資源，提高了系統(tǒng)效率。

4、MIMO與AAS的比較

AAS和MIMO這兩種技術(shù)都是使用多天線去改進信號的發(fā)送和接收特性，但二者的方法和特點完全不同。MIMO是一種利用多路復(fù)用技術(shù)增加信道容量和改善信號質(zhì)量的天線技術(shù)，而AAS是一種定向信號處理技術(shù)，它能夠增強在某一特定方向發(fā)出的信號強度。AAS陣元間距為1/2波長，基站MIMO陣元間距為10～15波長，AAS的發(fā)射數(shù)據(jù)流是相關(guān)的，僅存在相位差，而MIMO的發(fā)射數(shù)據(jù)流是近似獨立的。MIMO可為每一用戶提供多個信道，而AAS為每一用戶提供獨立的空間窄波束。

4.1　信道容量

AAS和MIMO都是利用多天線來增強傳輸信號，獲得相比于單天線而言額外的信道容量。AAS產(chǎn)生單個的能量非常集中的波束，從理論上講，信道容量隨AAS陣列個數(shù)呈對數(shù)增長關(guān)系。而MIMO的信道容量隨天線數(shù)目線性增長，因此在相同天線數(shù)量下，MIMO比AAS能獲得更大的信道容量。

4.2　覆蓋

AAS技術(shù)是利用天線陣列，加權(quán)形成定向波束，并把波束對準(zhǔn)數(shù)據(jù)將要到達的用戶，以提高接收用戶的接收信噪比，進而提高小區(qū)覆蓋增益。AAS技術(shù)比較適合在地形平坦、障礙物少、無線傳輸環(huán)境簡單的區(qū)域使用，在這些區(qū)域AAS能獲得很好的增益。

MIMO分集技術(shù)是在多個傳輸信道上發(fā)送相同的信息，小區(qū)邊緣的用戶通過組合多個方向的信號進行空時解碼來恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，從而提高了接收信噪比，有效擴大小區(qū)覆蓋范圍?？臻g分集模式并不一定需要多徑環(huán)境，它通過自身的空時編碼機制，在非多徑環(huán)境下能獲得同樣的分集效果。

因此，MIMO技術(shù)在開闊地型區(qū)域能獲得和AAS相似的覆蓋能力，而在郊區(qū)或市區(qū)等地形復(fù)雜區(qū)域，多徑現(xiàn)象明顯，AAS技術(shù)將面臨較大的角度擴散從而導(dǎo)致增益下降。

5、結(jié)束語

以上討論了WiMAX系統(tǒng)中支持的多天線技術(shù)MIMO和AAS的原理、實現(xiàn)方式和特點，并進行了簡單的對比。MIMO和AAS與OFDMA結(jié)合后在衰落信道中的性能能否達到理論上的預(yù)期，能否滿足802.16e支持高速移動的前提下，提升容量和質(zhì)量的要求，將是作者下一步研究的重點。

參考文獻

1　Alamouti S M.A simple transmit diversity technique for wireless communications.IEEE-JSAC，Oct 1998

2　Tarokh V，Jafarkhani H，Calderbank A R.Space-time block coding from orthogonal designs.IEEE Trans Inform Theory，1999（45）

3　Tarokh V，Jafarkhani H，Calderbank A R.Space-time block coding for wireless communications：performance results.IEEE Journal on Select Areas in Communications，1999（17）

4　Foschini G J，Gans M J.On limits of wireless communications in a fading environment when using multiple antennas. Wireless Personal Communications，1998，6（3）

5　趙瓊，王衍文.WiMAX系統(tǒng)中的多天線技術(shù)及應(yīng)用.中興通訊技術(shù)，2007（2）

6　Nortel. MIMO or AAS：key technology choice in deploying WiMAX.White Paper，2006