從用于移動(dòng)WiMAX的早期MIMO實(shí)現(xiàn)中得到的重要經(jīng)驗(yàn)

目前，無線運(yùn)營(yíng)商正在將重點(diǎn)轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，并以此作為收入增長(zhǎng)點(diǎn)。由于選用這些業(yè)務(wù)的用戶經(jīng)濟(jì)能力有很大的差別，因此迫切需要改善無線設(shè)備性能，實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的差異化(見圖1)。不幸的是，除了空間尺寸外，近年來無線領(lǐng)域中并沒有開發(fā)出太多新的性能改進(jìn)技術(shù)。而多天線信號(hào)處理(MAS)軟件可以更好地用來控制無線能量的空間分布，并被證明可以將性能提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此MAS現(xiàn)在已經(jīng)成為下一代無線網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。

在去年早些時(shí)候的電子工程專輯中我們已經(jīng)對(duì)MAS技術(shù)做了簡(jiǎn)要介紹(包括眾所周知的智能天線、空間時(shí)間處理或MIMO)，當(dāng)時(shí)重點(diǎn)討論了源于Wi-Fi的MIMO技術(shù)應(yīng)用于廣域系統(tǒng)時(shí)需要考慮的問題。本文將詳細(xì)介紹不同MAS架構(gòu)的基本功能以及WiMAX環(huán)境下MIMO的實(shí)現(xiàn)。

多天線信號(hào)處理的本質(zhì)

所有MAS架構(gòu)都遵從相同的基本原理：在通信鏈路的一端或兩端(也就是基站和/或用戶設(shè)備)有兩幅以上的天線，它們需要對(duì)這些天線的接收和/或發(fā)射信號(hào)執(zhí)行某種程度的協(xié)同處理。因此，關(guān)鍵設(shè)計(jì)選擇和需要考慮的變化因素包括：

1. 基站中無線收發(fā)鏈路的數(shù)量；

2. 用戶設(shè)備上無線收發(fā)鏈路的數(shù)量；

3. 目標(biāo)利益(表1中哪些是追求的目標(biāo)？)；

4. 在業(yè)務(wù)信道、鏈路的某個(gè)方向和某個(gè)端點(diǎn)(上行和/或下行、發(fā)送和/或接收)上所采用的MAS算法種類；

5. 控制信道處理的方法；

6. 物理層處理(實(shí)現(xiàn)MAS的地方)和媒體訪問層(調(diào)度)之間的協(xié)作程度和特征；

7. 發(fā)送校準(zhǔn)的方法。

采用MAS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程需要根據(jù)以下內(nèi)容對(duì)這些基本架構(gòu)做出最優(yōu)選擇：

1. 空中接口要適應(yīng)或兼容MAS(并不是所有接口都能適用于MAS的實(shí)現(xiàn))。

2. 功能靈活性——蜂窩中的所有用戶是否都要受限于相同的處理模式、算法和天線數(shù)量，或者說系統(tǒng)能否采用多種方法來適用于不同的應(yīng)用條件？

3. 應(yīng)用本身的許多屬性，即所支持的網(wǎng)絡(luò)工作情況，包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、負(fù)載、頻譜分配、業(yè)務(wù)定義、用戶行為(包括移動(dòng)性)、成本和復(fù)雜性約束，特別是地點(diǎn)設(shè)定及客戶設(shè)備、綠色場(chǎng)地對(duì)升級(jí)部署的影響等。

措施和功效

所有MAS架構(gòu)和處理方法都利用了以下四種增益和功能的一些組合：

空間分集 充分利用了固有信道差異的優(yōu)勢(shì)，這些差異存在于以空間或極化分隔的天線之間。空間分集只有在并非所有信道都同時(shí)處于深度衰落的條件下才有用，這種可能性與環(huán)境中的散射數(shù)量有很大的關(guān)系?？臻g分集鏈路預(yù)算增益一般在4~7dB量級(jí)。

相干(合成)處理 在理解無線信道特征(信道狀態(tài)信息)的基礎(chǔ)上，對(duì)送往或來自多個(gè)天線的信號(hào)進(jìn)行加權(quán)，并在感興趣的無線空間方向創(chuàng)建最大的相干合成信號(hào)(或具有最高靈敏度)。這種方法可以額外降低一些被動(dòng)干擾，因?yàn)楦蛹械哪芰糠植荚谝欢ǔ潭壬峡梢詼p少固有的同道干擾。這種合成多路信號(hào)來提高相干增益的方法稱作為“波束成形”，盡管者在事實(shí)上是最有效的方法，但在多徑和散射環(huán)境中工作時(shí)并不創(chuàng)建真正的“波束”。最大比例合成(MRC)或發(fā)射(MRT)就是這類例子。最終的合成增益是天線數(shù)量(通常為10log(n))和所用信道信息質(zhì)量的函數(shù)。

圖1：針對(duì)所消耗的單位網(wǎng)絡(luò)容量，用戶表達(dá)為各類業(yè)務(wù)的消費(fèi)意愿時(shí)，在語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面的意愿支出顯示出巨大差別