WiMAX系統中多天線技術的應用研究

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

1、引言

802.16e協議中支持MIMO（multiple input multiple output，多入多出）和自適應天線系統（adaptive antenna，system，AAS）兩種不同的多天線實現方式。MIMO是一種可選技術，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、空間復用（spatial multiplexing，SM）模式和分集與復用相結合的混合模式，即自適應MIMO（adaptive MIMO）?？臻g分集能獲得額外的分集增益和編碼增益，但不能提高數據速率；空間復用雖然能最大化MIMO系統的平均發(fā)射速率，但只能獲得有限的分集增益；自適應MIMO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。

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，提高通信的可靠性等。AAS技術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。

下面詳述兩種多天線技術的原理和特點，并在此基礎上對比兩者的異同。

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

MIMO有兩種功能形式，即空間分集和空間復用?？臻g復用技術利用MIMO信道提供的空間復用增益，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（發(fā)射天線數×接收天線數）和功能形式，802.16e支持的MIMO技術如下。

●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空間復用的下行發(fā)射。

●支持2天線的MS空間復用的上行發(fā)射。

2.1　空間分集

無線信號在復雜的無線信道中傳播會產生瑞利衰落，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距離（通常相隔10個信號波長以上），就認為兩處的信號完全不相關，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象較輕微的接收信號，以維持穩(wěn)定的鏈路質量，這樣就可以實現信號空間分集，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。通常可以認為SIMO系統是接收分集，MISO系統是發(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用，天線間距應適當拉開以保證發(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—時間編碼實現空間分集?？臻g—時間編碼可以用兩種不同的方法設計。

（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個符號分別經過脈沖成形與調制器，再直接送至n個天線。STTC能夠獲得滿分集增益和相當高的編碼增益，但無法達到全速率傳輸，并且搜索符合設計準則的Trellis碼非常復雜，譯碼的復雜度較高，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)射端將待傳送的數據符號在空間與時間上作預先編碼，并產生適當的冗余，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、時間的冗余轉化為分集增益（diversity gain），提高信噪比，信號的重構過程如圖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結合使用。

STBC設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。經過Tarokh等人的研究[2，3]，將STBC的設計推廣至任意發(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傳輸可靠性/覆蓋范圍。各分集方式的性能仿真結果如圖4所示。

圖4　各分集方式的性能比較

2.2　空間復用

空間復用是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據序列，并在接收端利用多根天線的空間自由度將該組數據序列分別解出。經過這一程序，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據序列。這樣整體系統的有效數據傳輸率便可在不增加任何資源的前提下提升數倍，這種效益是無線通信技術發(fā)展過程中的一大突破。其理論依據是參考文獻[4]，即從信息論的角度研究了多天線系統在衰落信道中的信道容量：假定接收機能準確估計信道狀態(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個接收天線的系統能達到的容量為單天線系統的min（n,m）倍，所以信道的容量與min（n,m）成正比關系，而常規(guī)的單一天線或單邊多天線系統，其系統容量與天線數目成對數關系增加。

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，增加天線的個數并不能帶來容量的提升。并且仿真結果表明。隨著天線間距的增大，系統的平均信道容量也在逐漸增大，但當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。

分層空時碼的實現如圖6所示，發(fā)端對信息串并轉換后，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，在接收端能準確估計信道矩陣的情況下，通過矩陣分解（干擾抵消），解代數方程（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確性，只有當各子信道所受的衰落差異比較大時，才能較好地恢復各個發(fā)送信號。

圖6　BLAST的實現

2.3　自適應MIMO

根據信道條件選擇采用STBC或者SM稱為自適應MIMO，圖7是自適應MIMO的性能，可見，將空時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。

圖7　AMS的性能

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

3、AAS的原理與特點

AAS是一種控制反饋系統，它能夠利用多個天線陣元接收信號的加權組合進行信號處理，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。

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

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。

天線類型可以是全向，也可以是60°、90°、120°的扇區(qū)定向天線。陣元數為2或4，多數廠家計劃支持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。

AAS的優(yōu)點主要體現在以下方面。

（1）覆蓋性能

AAS波束成形的結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，這樣就會產生陣列或波束成形增益，該增益與接收天線的數目成正比。例如在TD-SCDMA系統中，已采用了自適應波束成形的智能天線技術，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。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字無線通信系統性能惡化，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，從而可以自適應地調整系統參數以滿足業(yè)務要求。這表明使用AAS可以改變小區(qū)邊界，能隨著業(yè)務需求的變化為每個小區(qū)分配一定數量的信道，即實現信道的動態(tài)分配。利用空分多址可以提高頻譜利用率，提高系統的容量。

（3）干擾改善和容量

智能天線系統應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備同時發(fā)射信號時產生的。而直接將波束對準目標信號，通過自適應波束成形算法形成特定的波束圖，在干擾方向實現很低的增益甚至零陷，將波束零點對準其他接收機，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目，即增加系統容量[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，可以用來實現用戶定位。AAS獲得的移動用戶位置信息，可以實現接力切換，避免了軟切換中所占用的無線資源，提高了系統效率。

4、MIMO與AAS的比較

AAS和MIMO這兩種技術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是一種利用多路復用技術增加信道容量和改善信號質量的天線技術，而AAS是一種定向信號處理技術，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)射數據流是相關的，僅存在相位差，而MIMO的發(fā)射數據流是近似獨立的。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陣列個數呈對數增長關系。而MIMO的信道容量隨天線數目線性增長，因此在相同天線數量下，MIMO比AAS能獲得更大的信道容量。

4.2　覆蓋

AAS技術是利用天線陣列，加權形成定向波束，并把波束對準數據將要到達的用戶，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原始數據，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)等地形復雜區(qū)域，多徑現象明顯，AAS技術將面臨較大的角度擴散從而導致增益下降。

5、結束語

以上討論了WiMAX系統中支持的多天線技術MIMO和AAS的原理、實現方式和特點，并進行了簡單的對比。MIMO和AAS與OFDMA結合后在衰落信道中的性能能否達到理論上的預期，能否滿足802.16e支持高速移動的前提下，提升容量和質量的要求，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系統中的多天線技術及應用.中興通訊技術，2007（2）

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