wimax技術(shù)的多天線技術(shù)

1、<p>　　WiMAX技術(shù)的多天線技術(shù)</p><p>　　摘要：WiMAX（全球互通微波接入）技術(shù)是以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的寬帶無線接入技術(shù)，可以在固定和移動(dòng)的環(huán)境中提供高速的數(shù)據(jù)、語音和視頻等業(yè)務(wù)，兼具了移動(dòng)、寬帶和IP化的特點(diǎn)，近年來發(fā)展迅速，逐漸成為寬帶無線接入領(lǐng)域的發(fā)展熱點(diǎn)之一。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：多天線 接收機(jī) 增益 自適應(yīng) </p&

2、gt;<p>　　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(shù)，WiMAX必須采用多天線技術(shù)來提高自身的競爭力。 </p><p>　　1、多天線技術(shù)的優(yōu)勢 </p><p>　　隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，頻譜資源的嚴(yán)重不足已經(jīng)日益成為無線通信事業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。如何充分開發(fā)利用有限的頻譜資源，提高頻譜利用率，是當(dāng)前通信界研究的熱點(diǎn)課題之一。 </p>

3、<p>　　多天線技術(shù)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。多天線技術(shù)相比單天線技術(shù)具有如下優(yōu)勢： </p><p><b>　　1.1陣列增益 </b></p><p>　　使用多天線后增加了信號的相干性，從而獲得陣列增益。 </p><p><b>　　1.2分集增益 </b>&

4、lt;/p><p>　　提高了分集增益。分集增益是通過利用多徑來獲得的，當(dāng)某一條路徑性能變壞時(shí)不會(huì)影響系統(tǒng)的性能。在無線衰落信道里，可以增加接收信號強(qiáng)度的穩(wěn)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(shí)域（時(shí)間）和頻域（頻率）3個(gè)維度上獲得。 </p><p>　　1.3共信道干擾消除 </p><p>　　消除了共信道干擾。使用多天線后通過分析干擾的不同

5、信道響應(yīng)，消除共信道的干擾信號。 </p><p>　　2、多天線技術(shù)在WiMAX系統(tǒng)中的應(yīng)用 </p><p>　　2.1 自適應(yīng)天線系統(tǒng) </p><p>　　AAS可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，獲得信噪比（SNR）增益，減少同頻干擾。自適應(yīng)天線利用數(shù)字信號處理技術(shù)，產(chǎn)生空間定向波束，使天線主波束對準(zhǔn)期望信號到達(dá)方向，同時(shí)對干擾形成零陷，抑制干擾，實(shí)現(xiàn)期望信號的最佳

6、接收。 </p><p>　　在WiMAX系統(tǒng)中AAS的設(shè)計(jì)和應(yīng)用都是基于時(shí)分復(fù)用（TDD）模式。因?yàn)樵赥DD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(jì)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(jì)算波束形成的權(quán)值，只有通過反

7、饋，這將增大整個(gè)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)。采用AAS技術(shù)可以提高系統(tǒng)容量、擴(kuò)大覆蓋范圍、提高通信的可靠性、降低運(yùn)營成本等。AAS在實(shí)現(xiàn)時(shí)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。 </p><p>　　2.2 多輸入多輸出技術(shù) </p><p>　　MIMO技術(shù)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

8、提高信道的容量、覆蓋范圍和頻譜利用率。根據(jù)收發(fā)天線的數(shù)量，MIMO還可以包括單輸入多輸出（SIMO）和多輸入單輸出（MISO）。 </p><p>　　MIMO技術(shù)的核心是空時(shí)信號處理，也就是利用在空間中分布的多個(gè)天線將時(shí)間域和空間域結(jié)合起來進(jìn)行信號處理。因此，MIMO技術(shù)可以看作是智能天線的擴(kuò)展。廣義的MIMO技術(shù)包括發(fā)射分集技術(shù)和空間復(fù)用技術(shù)。發(fā)射分集技術(shù)指的是在不同的天線上發(fā)射包含同樣信息的信號（信號的具體

9、形式不一定完全相同），達(dá)到空間分集的效果，從而提高信道的可靠性，降低誤碼率?？臻g復(fù)用技術(shù)與發(fā)射分集不同，它在不同的天線上發(fā)射不同的信息，獲得空間復(fù)用增益，從而大大提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。WiMAX協(xié)議中同時(shí)使用空時(shí)編碼和空間復(fù)用的形式，可以顯著地提高系統(tǒng)的容量和頻譜利用率。 </p><p>　　目前MIMO已經(jīng)成為了IEEE 802.16中多天線的一個(gè)選項(xiàng)，并且在IEEE802.16e中也得到了體現(xiàn)。802

10、.16協(xié)議支持的MIMO模式分為3種：空時(shí)發(fā)射分集模式、空間復(fù)用模式和分集與復(fù)用相結(jié)合模式。 </p><p>　　2.2.1 空時(shí)發(fā)射分集 </p><p>　　發(fā)射分集最大的優(yōu)點(diǎn)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(shè)備造成的壓力，從而減少802.16市場化時(shí)帶來的阻礙。 </p><p>　　在MIMO中，空時(shí)發(fā)射分集模式主要通過空時(shí)編碼

11、來實(shí)現(xiàn)?？諘r(shí)編碼的主要思想是利用空間和時(shí)間上的編碼實(shí)現(xiàn)一定的空間分集和時(shí)間分集，從而降低信道誤碼率。使用空時(shí)碼時(shí)，在發(fā)端不知道信道狀態(tài)信息的情況下，系統(tǒng)仍能實(shí)現(xiàn)最大分集增益。常見的空時(shí)碼有空時(shí)分組碼（STBC）和空時(shí)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(yīng)用。 </p><p>　　802.16d標(biāo)準(zhǔn)中采用兩根發(fā)射天線的發(fā)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(jù)的就是

12、Alamouti方案的空時(shí)碼 （STC）編碼，該方案的關(guān)鍵特性是兩根發(fā)射天線的兩個(gè)序列之間的正交性。 </p><p>　　2.2.2 空間復(fù)用 </p><p>　　空間復(fù)用技術(shù)是指在發(fā)射端發(fā)射相互獨(dú)立的信號，接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，主要是為了提高系統(tǒng)的傳輸速率。目前利用空分復(fù)用的方法來提高信道容量的方法主要是各種分層空時(shí)碼（如BLAST）。貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)算法（BLAST）

13、結(jié)構(gòu)不是通過信號變換（編碼、調(diào)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(diǎn)，解除了信號之間的相關(guān)性。 </p><p>　　BLAST結(jié)構(gòu)主要分為垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)算法（V-BLAST）和對角線-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)算法（D-BLAST）：V-BLAST 將M個(gè)比特流編碼、映射和交織后通過互相獨(dú)立的天線發(fā)射出去，充分發(fā)掘了分集增益，而且每一個(gè)信息流可以單獨(dú)檢測。D-BLAST也先經(jīng)過相同的處理

14、，但是各編碼塊分配給不同的天線發(fā)送，從而減小了因某一個(gè)獨(dú)立信道傳輸效果較差而導(dǎo)致的系統(tǒng)整體性能的下降，但意味著更加復(fù)雜的收發(fā)設(shè)備。 </p><p>　　BLAST結(jié)構(gòu)最大程度上發(fā)掘了頻譜效率，但是一般需要接收天線數(shù)目大于或等于傳輸天線數(shù)目，而這一點(diǎn)在下行鏈路難以實(shí)現(xiàn)；另外因?yàn)槭褂貌煌逆溌穫鬏敧?dú)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(cuò)誤。 </p><p>　　2.2.3

15、 分集與復(fù)用相結(jié)合 </p><p>　　空時(shí)發(fā)射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。將空時(shí)發(fā)射分集和空間復(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，但是處理起來比單獨(dú)使用分集或復(fù)用要復(fù)雜一些。 </p><p>　　2.2.4 智能MIMO <

16、;/p><p>　　移動(dòng)WiMAX還支持各種MIMO模式之間的自適應(yīng)MIMO轉(zhuǎn)換（AMS），這也叫做智能MIMO。如圖1所示。智能MIMO根據(jù)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(shù)具有更廣泛的應(yīng)用場景。如對于同網(wǎng)絡(luò)下的不同終端，其天線數(shù)目可能是不同的，因而若在同一小區(qū)采用相同的MIMO傳輸方法，難以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)

17、。此外，用戶經(jīng)歷的衰落也是不一樣的，自適應(yīng)選擇不同MIMO技術(shù)以適應(yīng)信道變化，可以優(yōu)化系統(tǒng)性能。為支持自適應(yīng)MIMO模式選擇，發(fā)射端需要得到更多的包括信道或權(quán)重的反饋信息。 </p><p>　　對于未來移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，如何能夠在非視距和惡劣信道下保證高服務(wù)質(zhì)量（QoS）是一個(gè)關(guān)鍵問題，也是移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。對于單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)，如果要滿足上述要求就需要較多的頻譜資源和復(fù)雜的編碼調(diào)制技術(shù)，而頻

18、譜資源的有限和移動(dòng)終端的特性都制約著SISO系統(tǒng)的發(fā)展，所以MIMO是未來移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)。MIMO技術(shù)主要有兩種表現(xiàn)形式，即空間復(fù)用和空時(shí)編碼。這兩種形式在WiMAX中都得到了應(yīng)用。WiMAX還給出了同時(shí)使用空間復(fù)用和空時(shí)編碼的形式，支持MIMO是協(xié)議中的一種可選方案。 </p><p><b>　　3、結(jié)束語 </b></p><p>　　隨著多媒體業(yè)務(wù)不斷地推