多天线技术,增强wimax核心竞争力的利器

1、Huawei Technologies2005.108Huawei Technologies技术前沿| LEADING EDGE多天线技术，增强WiM做心竞争力的利器多天线技术增强WiMAX核心竞争力的利器文/邓春梅Huawei TechnologiesHuawei Technologies多天线技术简介俗地讲，多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发。通过适当的发射信号形式 和接收机设计，多天线技术可以在不显著 增加无线通信系统成本的同时，提高系统 容量。从技术上讲，采用多天线技术后， 可获得下列增益：功率增益(Power Gain)。采用多天 线发射时，由于有 n个发射通道，发射的 总

2、功率相当于单天线发射的n倍，因此可以获得10log( n)dB的功率增益。虽然在 单天线发射时也可以增加发射功率，但对 功放的要求将提高，实现难度增大，从而 成本也会相应增加。阵列增益(Array Gain )。阵列增益 是指在发射总功率相同的前提下，对接收 端平均信噪比的改善量。通过对信号的相 干合并，各种多天线系统都可以获得阵列 增益。也就是说，采用多天线技术后，可 提高接收信噪比。空间分集增益(Space DiversityGain)。由于无线信道的衰落特性，单天 线系统的信号可能存在深衰落。采用多天 线技术后，通常各天线间隔足够远，可保 证不同天线的信号衰落相对独立。因此， 合并后的接

3、收信号的信噪比波动将变得平 稳，从而改善了接收信号质量，这就是空 间分集增益。干扰抑制增益(Cocha n n e I In terfere nee Reduct ion Gai n)。在蜂窝 移动通信系统中，由于存在频率复用，因 此小区间干扰不可忽视。与白噪声不同， 干扰信号为有色噪声，可在接收端通过适 当的多天线空域加权，合并期望信号的同 时，抑制干扰信号，从而获得对接收端平 均信干噪比的改善，这就是干扰抑制增 益。空间复用增益(Spatial Multiplexing Gain)。空间复用增益是指在相同发射功 率和相同带宽的前提下，对数据吞吐量/ 传输速率的改善。空间复用增益可通过在相

4、同的时频资源上传送多个并行的数据流获 得，而这些复用的数据流通过不同的天线 来区分。WiMAX 16e中的多天线技术WiMAX 16e系统采用 OFDM( OrthogonalFrequency Division Multiple AccesS 交频分复用多路接入)技术，除了能够对抗多径衰落外，OFDM体制的另一大优点是可以和MIMO ( Multiple Input Multiple Output 多输入 多输出)技术方便地融合。WiMAX 16系统 支持如下多种多天线技术：下行开环MIMOWiMAX 16协议定义了三种采用空时编码的开环MIMC发射矩阵，分别为 Matrix AMatrix

5、 B和 Matrix G Matrix A采用发射分集结构，可获得分集增益；Matrix B采用空间复 用结构，可获得复用增益；Matrix C采用分 集与复用的混合结构，可以同时获得复用 增益和分集增益。对下行公共信道，协议规定不能采用空时编码，此时可采用 CDD (Cyclic DelayDiversity，循环时延分集)获得分集增益。CDD技术通过在不同的天线上发射同一数 据流的不同延迟副本，以获得多径分集效 果，从而提升公共信道的覆盖。另外，对 数据信道还可以采用CD与Matrix A或Matrix B 的结合，进一步提高分集性能或分集加复 用性能。下行波束赋形 Beamforming

6、 )Beamforming是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准Huawei TechnologiesHuawei Technologies4712008.6 第30期Huawei TechnologiesHuawei TechnologiesHuawei TechnologiesHuawei Technologies目标用户，从而提高目标用户的解调信 噪比，这对改善小区边缘用户吞吐率特 别有效。Beamforming可以获得阵列增益、 分集增益和复用增益。Beamforming通常有 两大类实现方式：MIMO Beamforming和DOA BeamformingMIMO

7、Beamforming (简称 MIMO-BF 技 术。利用信道信息对发射数据进行加权， 形成波束的一种波束赋形方法。MIMO-B技 术又可分为开环和闭环两种模式。开环Beamforming技术利用上行信道信息，对发射信号进行加权，不需要接收端 反馈信道信息给发射端，发射端通过上行 信道自行估计得到。开环 Beamforming技术 对覆盖和吞吐量的提升都有比较明显的效 果。但是，由于需要利用上行信号估计下 行发送权值，处理时延大，因此适用于低 速场景。另外，开环 Beamforming技术利用 了上下行信道的互易特性，故系统实现时 需要对各个收发通路进行校正。闭环Beamforming技术需

8、要终端反馈信 道信息如码本(Codebook)给发射端，利 用反馈信息对发射信号进行加权。同样由 于受反馈时延的影响，闭环 Beamforming技 术也只在低速场景有较好的性能。另外， 由于受反馈精度的影响，闭环 Beamforming 技术总体上比开环的性能要略差，但系 统实现相对简单，不需要对天线收发通 道进行校正。根据业界情况，目前TDD系统只使用开环 Beamforming技术，而闭环 Beamformir技术则应用于FDD系统。DOA Beamforming简称 DOA-BF 技术。通过估计信号的到达角(DOA： Direction ofArrinal)，利用DOA言息生成发射权值

9、，使 发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波 束赋形方法。与MIMO-BF相比，DOA-B有以 下特点：1)DOA-BF技术要求天线阵列间距小(通常小于一个载波波长)，在多径丰 富的场合分集效果比较差，在非直视径(NLOS Non Line of Sigh)场合，由于 DOA 估计不准也会使性能下降。因此， DOA-BF 技术对密集城区使用效果不是很理想，而 对农村和郊区等场合比较有效。但从业务 发展的角度考虑，农村和郊区的业务量需 求通常不高，采用DOA-BF实现的代价又比 较高，因此实用意义不大。而MIMO-BF技术通常由于天线间距都Huawei TechnologiesHuawei Tec

10、hnologies理范2008.6第30期 48Huawei TechnologiesLEADING EDGE技术前沿多天线技术，增强WiM做心竞争力的利器比较大，搜集多径的能力比较强，特别适 合在话务量高的密集城区使用，以提升系 统容量，有效降低高话务区域的建网成本 或扩容成本。2)DOA-B技术对天线阵元的一致性要 求比较高。因此，系统实现时不仅需要进 行收发通道校正，还需要进行天线校正， 而校正不理想时会使系统性能下降，故 DOA-B系统实现复杂度比较高。目前，DOA-BF技术成功应用的案例不 多，业界普遍看好MIMO-B技术，华为是领 先的实现MIMO-B技术的设备提供商之一。下行 M

11、IMO+BF由于Beamforming技术在同一时刻只 发射一个数据流，没有复用增益，为了 进一步提高吞吐量，还可将Beamforming技术与空时编码结合起来，构成 Beamforming+Matrix或Beamforming+MatriXB 发射结构，统称为MIMO+BF MIMO+B可以 大幅提高系统吞吐量。上行多天线接收分集上行接收分集是最常用的多天线技 术，在基站侧对多根天线接收到的信号进 行相干合并，从而获得阵列增益。上行CSM(Collaborate Spatial Multiplex上行CSM技术是指将两个单发射天线 的终端调度在相同的时频资源上，通过复 用来提升上行的容量。选

12、择协作终端时， 要保证用户之间的正交性，对调度算法有 较高的要求。以上各种多天线技术各有其优缺点， 对不同的场合技术性能也有比较大的差 异。因此，在实际系统选择使用多天线技 术时，需要综合考虑各种因素，并且要求 实现各种MIMO技术的自适应切换，以适应 不断变化的无线环境，达到最高的吞吐量 或尽可能大的覆盖。性能优势提升系统容量华为和WiMAX论坛的仿真结果表明， 采用多天线技术可大幅提升系统容量。仅 采用双天线开环 MIMO 2X 2 Matrix A和B的自 适应切换与1X2相比，下行方向频谱效率 提升约55-60%，上行方向频谱效率提升约 35%。如果采用 Beamforming或者 B

13、eamforming 与MIMO结合的方式，系统容量还将大幅提 升。与开环 2X 2 MIMO相比，4X 2 MIMO-BF 在下行方向的频谱效率提升约10%左右，而4X 2 MIMO+BF在下行方向的频谱效率提 升约60%=可见，MIMO和Beamformir结合的 性能增益是显著的。上行方向采用多天线对容量的提升也 是比较显著的：与1X 2相比，1 X 4配置的 上行分集接收，约有 30%的性能增益，但 如果上行采用了 CSM复用，频谱效率将提 升到50%以上。从以上数据可见，多天线技术可显著 提升频谱效率，是解决系统容量问题的行 之有效的手段。峰值速率的提高将大大提 升用户体验，为更丰富

14、的业务运营创造了 条件，从而为运营商建立盈利的商业模式 创造了条件，也为整个 WiMAX产业的持续 发展创造了条件。改善网络覆盖WiMAX系统的覆盖通常是上行受限， 而上行采用多天线接收可显著改善覆盖。 采用2天线分集接收，上行覆盖将改善3dB以上(与单天线接收相比)，而采用4天线分集接收，还可进一步改善 1-2dB下行 方向采用Beamforming技术后，将波束能量 对准目标用户，对改善小区边缘用户的吞 吐率有显著效果。由此可见，多天线技术的应用能显著 改善网络的覆盖，大大减少基站数目。降低建设和维护成本根据前文分析可知，采用多天线技术 后系统容量显著增加，初期建网时不需要使用多个载频进行

15、铺设，有效降低设备的 采购成本。同时，天线配置灵活，可以满 足不同区域的建网需求。在CBD等话务量比较大的密集城区，可采用4T4R勺配置满足容量需求；而在郊区、农村等以满足覆 盖要求为主的场合，则可采用2T4R勺配置满足覆盖要求。多天线系统优良的覆盖性 能将使站址数大大减少，特别是对于没有 移动牌照的固网运营商来说，不仅减少了 设备的采购成本，而且大大降低了站址租 赁和建设成本。多天线系统虽然增加了天线数，但对 天线的要求却没有明显提高。可采用2副双极化天线一体化封装，在天面上只需要一个 天线安装位即可满足要求，部署和维护都比 较简单，进一步降低了网络的维护成本。综上所述，优良的多天线技术将大幅 提升频谱效率，降低每比特成本，有效提升 用户体验，还可以提高覆盖，改善小区边缘 用户的吞吐率，减少基站数目，降低建网及 维护成本。因此，对于WiMAX等新一代无线 通信系统，多天线技术的性能是决定 WiMAX 产品核心竞争力的重要因素之一。技术铸就品质从1999年起，华为就已开始了多天 线技术的研究和探索。截至2007年底，华为在多天线技术领域共获得100多项核心专利。在WiMAX基站方面，目前已支持各 种开环MIMO、上行4天线接收分集、上行 CSIM下行4天线MIMO Beamfor