MIMO(MulTIpleInputMulTIpleOutput,多輸入多輸出)技術(shù)是下一代通信技術(shù)的一個重要突破,本文依據(jù)華為的系統(tǒng)仿真研究結(jié)果和外場實(shí)際測試結(jié)果,從網(wǎng)絡(luò)覆蓋增強(qiáng)、系統(tǒng)容量提升和降低建網(wǎng)成本等角度,對MIMO技術(shù)在移動WiMAX系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探索和分析。
近年來,全球基于傳統(tǒng)線纜技術(shù)的寬帶用戶快速增長,3G移動用戶數(shù)也在穩(wěn)步增長。市場對于移動寬帶的需求正在快速增加,這為無線寬帶接入技術(shù)提供了巨大的市場空間。
WiMAX802.16e正越來越多地被運(yùn)營商采用為首選的固定和移動寬帶接入策略,為終端用戶提供豐富的高寬帶多媒體業(yè)務(wù)。這些策略對運(yùn)營商的無線網(wǎng)絡(luò)提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建立和維持贏利的商業(yè)模式,需要對網(wǎng)絡(luò)容量、用戶吞吐量、網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量作較大的改進(jìn)。MIMO多天線技術(shù)的應(yīng)用,使802.16e能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn),從而有力推動WiMAX網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線,信號通過發(fā)射端和接收端的多個天線傳送和接收,從而改善每個用戶的服務(wù)質(zhì)量。MIMO技術(shù)對于傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)來說,能夠大大提高頻譜利用率,使得系統(tǒng)能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。N根發(fā)射天線和M根接收天線的MIMO系統(tǒng)框圖如下圖所示。
WiMAX802.16e定義了三種可選的MIMO方式,分別是STTD(SpaceTImeTransmit Diversity , 空時發(fā)射分集)、SM(SpaTIal Multiplexing, 空分復(fù)用)和自適應(yīng)切換方式,同時定義了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3種編碼矩陣。華為公司W(wǎng)iMAX 802.16e系統(tǒng)目前已全面支持Matrix A,并將在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。
WiMAX802.16e系統(tǒng)中,MIMO技術(shù)與OFDMA技術(shù)結(jié)合使用,可以大幅提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力,使WiMAX系統(tǒng)容量倍增,從而大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本,有力推動了移動WiMAX發(fā)展。
與OFDMA完美結(jié)合
MIMO可以應(yīng)用于所有的無線通信技術(shù)。在WiMAX802.16e系統(tǒng)中,MIMO和OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access,正交頻分復(fù)用接入) 的完美結(jié)合,更能體現(xiàn)出MIMO的技術(shù)優(yōu)勢。
MIMO系統(tǒng)可以抗多徑衰落,但對于頻率選擇性衰落,MIMO仍然無能為力,其他通信系統(tǒng)一般采用均衡技術(shù)來解決MIMO系統(tǒng)中的頻率選擇性衰落。WiMAX的OFDMA技術(shù)可以很好地克服頻率選擇性衰落。下一代移動通信需要高的頻譜利用率技術(shù),但OFDMA提高頻譜利用率的能力畢竟有限。結(jié)合MIMO技術(shù),可以在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下進(jìn)一步提高頻譜效率。MIMO+ OFDMA技術(shù)既可以提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,又可以通過分集達(dá)到很強(qiáng)的可靠性和增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。另外,OFDMA由于碼率低和加入了時間保護(hù)間隔而具有很強(qiáng)的抗多徑干擾能力,多徑時延小于保護(hù)間隔使系統(tǒng)不受碼間干擾的影響,這樣就可以使單頻網(wǎng)絡(luò)使用寬帶OFDMA系統(tǒng)依靠MIMO技術(shù)消除陰影效應(yīng),真正實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋。
大幅提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力
WiMAX802.16e由于采用較高的工作頻段,傳播損耗比其他移動通信系統(tǒng)高,如何擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力也是WiMAX面臨的挑戰(zhàn)之一。MIMO技術(shù)在 WiMAX系統(tǒng)的應(yīng)用,可以大幅度提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。MIMO在分集模式下,通過分集增益增加小區(qū)覆蓋半徑;在復(fù)用模式下,通過提升小區(qū)邊緣速率獲得的分集增益來提升小區(qū)覆蓋半徑;在自適應(yīng)切換模式下,小區(qū)邊緣工作在分集模式下,覆蓋增益與僅分集模式相同。通過華為公司的系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,在分集或自適應(yīng)切換模式下,2T2R(2Transmit2 Receive,兩路發(fā)射兩路接收)MIMO相比SISO(Single Input Single Output,單輸入單輸出)有2~10dB的覆蓋增益,覆蓋半徑增加50%~90%;僅復(fù)用模式下,在小區(qū)邊緣可以間接獲得3~5dB的覆蓋增益。另外 MIMO還可以有效提高小區(qū)邊緣覆蓋概率。
2007年8月,在日本東京,華為與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商J:COM一起對MIMO的實(shí)際使用效果進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明,采用MIMOMatrixA技術(shù)可以有效提高WiMAX802.16e系統(tǒng)的覆蓋半徑,可以大幅減少網(wǎng)絡(luò)建設(shè)所需要的基站數(shù)目。
使系統(tǒng)容量倍增
WiMAX802.16e系統(tǒng)可提供極高的數(shù)據(jù)吞吐量和移動性,讓用戶能夠隨時在線,即使處于移動狀態(tài)也能獲得真正的寬帶體驗(yàn)。MIMO技術(shù)在復(fù)用模式下,可以成倍提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率,并可以成 倍提高單用戶峰值速率;在分集模式下,通過增加高階調(diào)制方式的比例來提高系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率;在自適應(yīng)切換模式下,小區(qū)中心工作在復(fù)用模式,小區(qū)邊緣工作在分集模式,因此系統(tǒng)吞吐量和頻譜效率增強(qiáng)效果介于兩者之間。OFDMA和MIMO技術(shù)的應(yīng)用,使 WiMAX802.16e系統(tǒng)能夠最大程度地提高頻譜效率,提供高品質(zhì)移動視頻和電視業(yè)務(wù)所需的高速度和高帶寬。
華為公司的系統(tǒng)仿真結(jié)果表明,采用MIMO2×2MatrixB技術(shù)后,可以提升WiMAX 16e系統(tǒng)吞吐量約30%~60%,同時可以成倍提高用戶的峰值速率,保證WiMAX用戶獲得更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。
大幅降低網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)和維護(hù)成本
在密集城區(qū)和CBD區(qū)域,高端用戶多,對系統(tǒng)吞吐量和峰值速率要求高,容易出現(xiàn)容量受限的情況。采用MIMOMatrixB技術(shù)后,WiMAX系統(tǒng)下行容量提升55%,上行容量提升33%;在容量受限場景,基站數(shù)目將減少25%左右。相比其他多天線技術(shù)如AAS(Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System,自適應(yīng)天線系統(tǒng),也稱作先進(jìn)天線系統(tǒng)),MIMO在密集城區(qū)的容量增益優(yōu)勢更為明顯,可以有效降低高話務(wù)區(qū)域的建網(wǎng)成本或擴(kuò)容成本。
對于覆蓋受限場景,采用MIMO技術(shù)可以增加50%以上的覆蓋半徑,使單站點(diǎn)覆蓋面積增加近100%,在一定覆蓋面積下可節(jié)省40%~60%的基站數(shù)目。在郊區(qū)和農(nóng)村區(qū)域引入MIMO,可實(shí)現(xiàn)最少基站的最大覆蓋,大幅降低初始建網(wǎng)成本。
另外,在安裝和維護(hù)方面,AAS天線最少為4波束天線,需要較高的天線安裝空間;AAS天線相比傳統(tǒng)天線,所需饋線大大增加,增加工程量,同時鐵塔走線架的寬度也得加寬;AAS采用的天線重量大,對安裝承載能力要求提高;另外AAS天線體積較大,防風(fēng)能力差,抗風(fēng)阻性要求高,不適合在風(fēng)力大或者是臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域使用。MIMO相比AAS,需要的天線數(shù)目少,一根普通的±45度雙極化的天線就可以支持2×2MIMO,對天線安裝空間和承重要求低,容易部署、維護(hù),可有效節(jié)省天線安裝成本和維護(hù)成本。
結(jié)束語
隨著寬帶數(shù)據(jù)用戶和移動通信用戶的迅速發(fā)展,以及從窄帶語音通信向?qū)拵Ц咚贁?shù)據(jù)通信發(fā)展的趨勢,如何在一定的頻譜資源上提高網(wǎng)絡(luò)容量,如何在一定的站點(diǎn)數(shù)目下提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能,成為將來通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要重點(diǎn)考慮的問題。WiMAX802.16e系統(tǒng)引入MIMO多天線技術(shù),并與OFDMA進(jìn)行完美結(jié)合,通過增強(qiáng)系統(tǒng)在空間上的分辨能力,提高頻譜利用率并提升網(wǎng)絡(luò)的容量和覆蓋性能,從而降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本和維護(hù)成本,使WiMAX802.16e逐漸成為最有競爭力的無線寬帶接入技術(shù)。