ＷＩＭＡＸ系統中的多天線技術及應用

摘要：WiMAX(全球互通微波接入)技術近年來發展迅速，逐漸成為寬帶無線接入技術的熱點之一。WiMAX系統能夠實現高于2 bps/Hz的頻帶利用率。為了增加覆蓋范圍和系統的可靠性，IEEE 802.16標準支持Alamouti方案的空時碼(STC)、自適應天線(AAS)和多輸入多輸出(MIMO)技術在內的多天線技術。多天線技術的應用能顯著地提高系統容量和頻譜利用率，從而大大增強WiMAX技術的競爭力。

關鍵詞：全球互通微波接入；多天線技術；多輸入多輸出；自適應天線；發射分集；空間復用

Abstract: The Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) technology has rapidly developed in recent years. It is becoming one of the hotspots among broadband wireless access technologies. A WiMAX system can provide bandwidth efficiency higher than 2 bps/Hz. In order to improve coverage and reliability of the WiMAX system， the IEEE 802.16 standard supports multiple antenna techniques such as Alamouti Space-time Coding (STC)， Adaptive Antenna System (AAS) and Multiple Input Multiple Output (MIMO). The applications of the multiple antenna techniques improve system capacity and bandwidth efficiency significantly， and enhance the competence of the WiMAX technology greatly.

Key words: WiMAX; multiple antenna technology; MIMO; AAS; transmit diversity; spatial multiplexing

WiMAX(全球互通微波接入)技術是以IEEE 802.16系列標準為基礎的寬帶無線接入技術，可以在固定和移動的環境中提供高速的數據、語音和視頻等業務，兼具了移動、寬帶和IP化的特點，近年來發展迅速，逐漸成為寬帶無線接入領域的發展熱點之一。

多天線技術在提高頻譜效率、支持更高速的數據傳輸、提高傳輸信號質量、增加系統覆蓋范圍和解決熱點地區的高容量要求等方面有無可比擬的優勢，已經成為目前研究的熱點問題，并廣泛應用于各種移動通信系統中[1-5]。

作為解決最后一公里的最佳接入方式的無線寬帶接入技術，WiMAX必須采用多天線技術來提高自身的競爭力。

1 多天線技術的優勢

隨著無線通信技術的快速發展，頻譜資源的嚴重不足已經日益成為無線通信事業發展的“瓶頸”。如何充分開發利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當前通信界研究的熱點課題之一。

多天線技術因其能在不增加帶寬的情況下提高傳輸效率和頻譜利用率而獲得廣泛的青睞。

1.1 多天線相比于單天線的優勢

多天線技術相比單天線技術具有如下優勢：

(1)陣列增益

使用多天線后增加了信號的相干性，從而獲得陣列增益。

(2)分集增益

提高了分集增益。分集增益是通過利用多徑來獲得的，當某一條路徑性能變壞時不會影響系統的性能。在無線衰落信道里，可以增加接收信號強度的穩定性從而提高傳輸信息的可靠性。分集增益可以在空間(天線)、時域(時間)和頻域(頻率)3個維度上獲得。

(3)共信道干擾消除

消除了共信道干擾。使用多天線后通過分析干擾的不同信道響應，消除共信道的干擾信號。

1.2 多天線技術的經濟性

(1)提高傳輸容量，降低高話務區域建網成本

隨著數據業務的不斷推廣，尤其是手機電視、高速無線上網等業務的應用，用戶對數據業務的需求不斷增加，在密集城區、熱點地區等高話務區域，網絡的部署將受限于容量。另外由于數據業務的不對稱性，容量的大小往往受限于下行速率的高低。基于這些特點，以混合組網為例，使用2×2接收分集的多輸入多輸出(MIMO)將使單站點容量提升近20%。通過計算，在區域覆蓋面積和容量需求不變的情況下，使用2×2接收分集的MIMO相比于1×2接收分集可以節省基站數目15%以上，從而大大減少高話務區域建網成本。

(2)降低擴容成本

在使用基于多天線技術的接收機的情況下，使用2×2接收分集的MIMO天線可使扇區的吞吐率提升40%～60%，特別是在多徑環境較復雜的密集城區、城區、室內等微蜂窩情況下扇區吞吐率可提升接近60%，而這些微蜂窩恰恰就是容量需求較高的區域。

在不增加載頻和基站數目的情況下，通過使用多天線技術作為擴容方案既可以滿足容量的需求又可以大大減少擴容成本，真正實現低成本快速擴容。

(3)增加收發信機和天饋系統成本

多天線技術的引入使得收發信機的處理過程變得更加復雜：基站必須支持2個以上獨立的發射通道(兩天線獨立地編碼、調制、擴頻和發送)和2個空間數據流的上行反饋信令(如CQI、ACK/NACK等信令)處理。這些都將在一定程度上增加基站和終端成本，另外多天線本身及天饋系統的安裝也將比普通天線更加復雜。因此多天線的引入也將在一定程度上增加基站和天饋系統成本。無疑，一方面通過多天線技術提高傳輸容量，在按流量收費情況下，多天線技術可為運營商帶來成倍增長的利潤空間；另一方面，采用多天線技術會對基站和終端帶來更大的實現復雜性。相對而言，除必要的信令和測量信息，在升級中使用多天線技術對網絡的影響較小。

通常從運營成本角度出發，需在綜合考慮系統和設備復雜性的影響下合理使用多天線技術。

IEEE 802.16標準支持諸如Alamouti方案的空時碼、自適應天線(AAS)和MIMO技術在內的多天線技術。作為一種能有效改善系統抗衰落性能的技術，IEEE802.16e將通過空時編碼實現的發射分集作為標準的一個可選項。

2 多天線技術在WiMAX系統中的應用

2.1 自適應天線系統

AAS可以實現系統參數自動調整，獲得信噪比(SNR)增益，減少同頻干擾。自適應天線利用數字信號處理技術，產生空間定向波束，使天線主波束對準期望信號到達方向，同時對干擾形成零陷，抑制干擾，實現期望信號的最佳接收。

在WiMAX系統中AAS的設計和應用都是基于時分復用(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值。而在頻分復用(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值，只有通過反饋，這將增大整個系統的開銷。

在WiMAX體系中，AAS是一種可選技術，在上下行鏈路中都可以選擇支持該技術。采用AAS技術可以提高系統容量、擴大覆蓋范圍、提高通信的可靠性、降低運營成本等。AAS在實現時既可以采用多波束選擇的方式，也可以采用自適應的方式。

2.2 多輸入多輸出技術

MIMO技術最早是由Marconi于1908年提出來的，它利用在基站和終端使用多天線來抑制信道衰落，從而大幅度地提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。根據收發天線的數量，MIMO還可以包括單輸入多輸出(SIMO)和多輸入單輸出(MISO)。

MIMO技術的核心是空時信號處理，也就是利用在空間中分布的多個天線將時間域和空間域結合起來進行信號處理。因此，MIMO技術可以看作是智能天線的擴展。廣義的MIMO技術包括發射分集技術和空間復用技術。發射分集技術指的是在不同的天線上發射包含同樣信息的信號(信號的具體形式不一定完全相同)，達到空間分集的效果，從而提高信道的可靠性，降低誤碼率。空間復用技術與發射分集不同，它在不同的天線上發射不同的信息，獲得空間復用增益，從而大大提高系統的容量和頻譜利用率。WiMAX協議中同時使用空時編碼和空間復用的形式，可以顯著地提高系統的容量和頻譜利用率。

目前MIMO已經成為了IEEE 802.16中多天線的一個選項，并且在IEEE802.16e中也得到了體現。802.16協議支持的MIMO模式分為3種：空時發射分集模式、空間復用模式和分集與復用相結合模式。

2.2.1 空時發射分集

發射分集最大的優點在于可以在基站端使用多天線，可以避免在接收端使用多天線對終端設備造成的壓力，從而減少802.16市場化時帶來的阻礙。

在MIMO中，空時發射分集模式主要通過空時編碼來實現。空時編碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現一定的空間分集和時間分集，從而降低信道誤碼率。使用空時碼時，在發端不知道信道狀態信息的情況下，系統仍能實現最大分集增益。常見的空時碼有空時分組碼(STBC)和空時格碼(STTC)，其中STBC因其相對簡單的編譯碼過程而獲得了廣泛的應用。

802.16d標準中采用兩根發射天線的發射分集，以對抗阻擋視距和非直視距造成的深衰落，主要依據的就是Alamouti方案的空時碼(STC)編碼，該方案的關鍵特性是兩根發射天線的兩個序列之間的正交性。對兩發射天線系統，Alamouti編碼能獲得最大的分集增益，并且從編碼發展的歷史上說，Alamouti方案是為發射天線數為2的系統提供完全發射分集增益的一種空時分組碼，且譯碼時只需要對接收信號進行簡單的處理，大大減化了計算的復雜度。

2.2.2 空間復用

空間復用技術是指在發射端發射相互獨立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進行解碼，主要是為了提高系統的傳輸速率。目前利用空分復用的方法來提高信道容量的方法主要是各種分層空時碼(如BLAST)。貝爾實驗室分層空時算法(BLAST)結構不是通過信號變換(編碼、調制、映射等)引入符號間的正交性，而是充分利用了信道的多徑特點，解除了信號之間的相關性。

BLAST結構主要分為垂直-貝爾實驗室分層空時算法(V-BLAST)和對角線-貝爾實驗室分層空時算法(D-BLAST)：V-BLAST將M個比特流編碼、映射和交織后通過互相獨立的天線發射出去，充分發掘了分集增益，而且每一個信息流可以單獨檢測。D-BLAST也先經過相同的處理，但是各編碼塊分配給不同的天線發送，從而減小了因某一個獨立信道傳輸效果較差而導致的系統整體性能的下降，但意味著更加復雜的收發設備。

BLAST結構最大程度上發掘了頻譜效率，但是一般需要接收天線數目大于或等于傳輸天線數目，而這一點在下行鏈路難以實現；另外因為使用不同的鏈路傳輸獨立的信號，那么如果一條鏈路被損壞，那么將面對不可挽回的錯誤。

2.2.3 分集與復用相結合

空時發射分集能獲得額外的分集增益和編碼增益，但不能提高數據速率；空間復用雖然能最大化MIMO系統的平均發射速率，但只能獲得有限的分集增益。將空時發射分集和空間復用相結合的方案既能提供分集增益又可以提高系統容量，從而得到高頻譜效率和傳輸質量的良好折衷，但是處理起來比單獨使用分集或復用要復雜一些。

2.2.4 智能MIMO

移動WiMAX還支持各種MIMO模式之間的自適應MIMO轉換(AMS)，這也叫做智能MIMO。如圖1所示。智能MIMO根據信道條件，選擇合適的MIMO模式，在不降低覆蓋范圍的情況下提高頻譜利用率。采用智能MIMO方式，可以克服不同場景帶來的不確定性，使MIMO技術具有更廣泛的應用場景。如對于同網絡下的不同終端，其天線數目可能是不同的，因而若在同一小區采用相同的MIMO傳輸方法，難以達到優化設計目標。此外，用戶經歷的衰落也是不一樣的，自適應選擇不同MIMO技術以適應信道變化，可以優化系統性能。為支持自適應MIMO模式選擇，發射端需要得到更多的包括信道或權重的反饋信息。

對于未來移動通信系統而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高服務質量(QoS)是一個關鍵問題，也是移動通信領域的研究重點。對于單輸入單輸出(SISO)系統，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復雜的編碼調制技術，而頻譜資源的有限和移動終端的特性都制約著SISO系統的發展，所以MIMO是未來移動通信的關鍵技術。MIMO技術主要有兩種表現形式，即空間復用和空時編碼。這兩種形式在WiMAX中都得到了應用。WiMAX還給出了同時使用空間復用和空時編碼的形式，支持MIMO是協議中的一種可選方案。

2.3 AAS和MIMO的比較

AAS和MIMO都是802.16協議中提到的WiMAX的多天線技術，但其工作原理和應用場景卻不盡相同，下面對這兩種技術加以比較。

(1)系統容量

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系統容量。AAS產生單個的能量非常集中的波束，從理論上講，系統的容量隨波束強度呈對數增長關系。在WiMAX系統中，對基本的SISO配置，基站的吞吐量為25 Mb/s，4陣元AAS相比SISO能提高吞吐量50%而達到33 Mb/s，8陣元AAS吞吐量能達到38 Mb/s，而MIMO系統的容量隨天線數目線性增長，2×2 MIMO系統的容量是SISO系統的2倍，4×4 MIMO系統的容量是2×2系統的2倍。因此MIMO比AAS能獲得更大的系統容量。

(2)移動性

802.16e相比于802.16d最大的改進之一便是支持移動環境，AAS是靠對信道準確可靠地估計來獲得波束形成的權值。在移動環境下信道變化很快，信道估計將變得很復雜，如在帶寬3.5 GHz、終端移動速率30 km/s的系統中，每毫秒需要做一次信道估計才能保證性能，系統開銷很大。因此在高速移動環境，AAS幾乎無法工作。而MIMO在發送端可以不需要信道信息，能夠適用于移動的環境。

(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須是TDD，而MIMO無論在TDD還是在FDD模式下都可以正常使用。MIMO可以和正交頻分復用(OFDM)技術相結合來達到更好的性能，這也是未來移動通信技術的趨勢之一。

MIMO技術非常適合城市范圍內多徑環境下的無線信號處理，包括提供空間分集以及多路信道并行傳輸，是提高WiMAX系統覆蓋范圍及吞吐量的合適技術。自適應天線則有利于提高基站與運動物體的方向性空間增益以及對干擾信號的方向性抑制。不過，在城市多徑彌散的環境中，MIMO可能將會更受設備開發商的歡迎。所以說，MIMO技術更能適合WIMAX發展的需要，在WiMAX系統中必須要支持基本的MIMO工作機制才能和其他的技術兼容，才能使WiMAX更具有競爭力。

3 結束語

隨著多媒體業務不斷地推陳出新，無線接入技術正呈現高帶寬和IP化的趨勢，游牧和移動寬帶接入將成為未來通信市場化的重要需求。WiMAX是為這一需求專門發展的寬帶無線接入技術，性能優，效率高，成本低，通過靈活的體制配置可以滿足各種應用場景的要求。

面對當前競爭激烈的無線通信市場，WiMAX要想站穩腳步就必須采用先進的技術，在保持自己大容量、廣覆蓋、非視距傳輸和標準統一等優勢的同時，快速地將現有技術優勢轉化為產品優勢、擴大商用規模。在WiMAX的關鍵技術中，AAS和MIMO等多天線技術因能大大提高無線通信系統的能力而成為眾多WiMAX廠商關注的熱點之一。需要根據不同的場景選擇合適的多天線技術，使系統的性能達到最優。同時更要關注多天線技術實際應用的成本，以及和其他技術(如OFDM、OFDM等)的結合，使WiMAX面對長期演進(LTE)和無線接口演進(AIE)的競爭能夠異軍突起，成為真正解決最后一公里接入方式的最佳無線寬帶接入技術。

4 參考文獻

[1] IEEE 802.16-2004. Air interface for fixed broadband wireless access system [S].

[2] IEEE P802.16e/D9-2005. Unapproved draft amendment to IEEE standard for local and metropolitan area networks， Part 16: Air interface for fixed and mobile broadband wireless access systems [S]. 2005.

[3] Nortelr: MIMO or AAS: Key technology choice in deploying WiMAX [R]. White Paper.2006.

[4] Alamouti S. A simple traosmit diversity technique for wireless communications [J] .IEEE Journal on Select Areas in Communications， 1998，16(8):1451-1458.

[5] Mobile WiMAX - PartI: A technical overview and performance evaluation [S].WiMAX Forum.2006.

收稿日期：2007-01-19

趙瓊，西安電子科技大學碩士畢業，現工作于中興通訊股份有限公司移動事業部西安研究所，從事MIMO和智能天線的研究工作。

王衍文，西安交通大學博士畢業，現為中興通訊股份有限公司移動事業部西安研究所主任工程師，從事智能天線、MIMO、OFDM等關鍵技術的研究工作。