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1、1MIMO 的应用和发展方向MIMO 技术已经成为无线通信领域的关键技术之一，通过近几年的持续发展，MIMO 技术将越来越多地应用于各种无线通信系统。在无线宽带移动通信系统方面，第 3 代移动通信合作计划(3GPP)已经在标准中加入 MIMO 技术相关的内容，B3G 和 4G 的系统中也将应用MIMO 技术。在无线宽带接入系统中，正在制订中的 802.16e、802.11n 和 802.20 等标准也采用了 MIMO 技术。在其他无线通信系统研究中，如超宽带(UWB)系统、感知无线电系统(CR)，都在考虑应用 MIMO 技术。随着使用天线数目的增加，MIMO 技术实现的复杂度大幅度增高，从而限
2、制了天线的使用数目，不能充分发挥 MIMO 技术的优势。目前，如何在保证一定的系统性能的基础上降低 MIMO 技术的算法复杂度和实现复杂度，成为业界面对的巨大挑战。目前, 朗讯、松下、金桥和 NTTDoCoMo 等公司都在积极倡导 MIMO 天线系统技术的应用。在 3GPP 的高速下行链路分组接入方案( High Speed Downlink Packet Access, HSDPA)中提出了使用 MIMO 天线系统,这种系统在发送和接收方都有多副天线, 可以认为是双天线分集的进一步扩展。另外,在 3GPP(第三代协作伙伴项目)的 WCDMA(宽带码分多址)协议中, 涉及到了 6 种分集发射方
3、法, 即空时分集发射( Space Time Transm it Diversity, STTD )、时间切换分集发射( Time Switched Transm it Diversity, TSTD )、两种闭环分集发射模式、软切换中的宏分集, 以及站点选择分集发射( Site Selection Diversity Transmit,SSDT)。宏分集是指在 CDMA (码分多址)系统的软切换过程中, 可以通过 2 个甚至 3 个基站同时向一个移动台发射同样的信号, 这是宏分集发射 ; 同样, 接收时通过相邻的基站进行分集接收(多个基站接收), 即进行宏分集接收。MIMO 技术已经广泛地应
4、用在固定宽带无线接入领域中,采用 MIMO 的主要公司是 IospanW ireless 和 Raze Technologies。Iospan Wireless 的 AirBurst 系统是基于 MIMO - OFDM(正交频分复用)的FDD(频分双工)系统。Raze Techno logies 的 SkyFir 系统也具有 MIMO 接口,并且可以用波束成形控制器来升级 1。在频带资源有限而高速数据需求无限增长的现实下,利用增加发射天线来增加空间自由度、改善系统性能、提高频带利用率是无线通信领域中的一个研究方向。MIMO 技术以其特有的优点, 将成为未来移动通信中的关键技术之一, 将对无线蜂
5、窝系统的发展产生深远的影响。1. MIMO 技术在 3G 的应用随着移动分组业务的流量不断增加，人们对移动通信空口带宽的需求也不断增加。为此 LTE 选择了 MIMO 等技术以实现高带宽的目标。由于 LTE 还需要一个较长的周期才能实现商用，加之部署 WCDMA 网络已经耗费了运营商大量的投资，因此 HSPA+作为一个过渡技术诞生了。HSPA+吸收了 LTE 中不少先进技术，MIMO 就是其中重要的一环。综合使用空间复用技术和空时编码技术，使得 MIMO 能够在不同的使用场景下都发挥出良好的效果，3GPP组织也正是因为这一点，将 MIMO 技术纳入了 HSPA+标准(R7 版本)。出于成本及性
6、能的综合考虑，HSPA+中的 MIMO 采用的是 22 的天线模式：下行是双天线发射，双天线接收；上行为了降低终端的成本，缩小终端的体积，采用了单天线发射。也就是说，MIMO 的效用主要只是用在下行，上行只是进行传输天线选择。HSPA+中，MIMO 规定了下行的 Precoding 预编码 2。矩阵，包括 4 种形式：（1) 空间复用(Spatial multiplexing)；（2) 空时块码(Space Time Block Coding)；（3) 波束成型(Beam Forming)；2（4) 发射分集(Transmit Diversity)。在实际使用中，由基站根据无线环境的不同自动选
7、择使用。在 HSPA+上行方面，MIMO技术有两种天线选择方案：开环和闭环。1.开环方案即TSTD(时分切换传输分集)，上行数据轮流在天线间交替发送，从而避免单条信道的快衰落,如图1所示。图1 开环天线选择方案2.闭环方案中，终端必须从不同的天线发送参考符号，由基站进行信道质量测量，然后选择信道质量好的天线进行数据发送，如图2所示。图2 闭环天线选择方案2MIMO 技术能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。作为 MIMO 技术的发明者，阿尔卡特朗讯首先提出将 MIMO 技术加入 3GPP 标准，并积极推动 MIMO 技术在 HSPA+的应用。我们相信 MI
8、MO 技术必将在未来的移动网络中占据重要的位置。2. MIMO 技术在移动 WIMAX 中的应用近年来，全球基于传统线缆技术的宽带的需求正在快速增加，这为无线宽带接入技术提供了巨大的市场空间。WiMAX802.16e 正越来越多地被运营商采用为首选的固定和移动宽带接入策略，为终端用户提供丰富的高宽带多媒体业务。这些策略对运营商的无线网络提出了极大的挑战。为了建立和维持赢利的商业模式，需要对网络容量、用户吞吐量、网络覆盖质量作较大的改进。MIMO 多天线技术的应用，使 802.16e 能够应对这些挑战，从而有力推动 WiMAX 网络的发展。MIM 是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天
9、线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量。MIMO 技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务 3。WiMAX802.16e 定义了三种可选的 MIMO 方式，分别 STTD（SpacetimeTransmit 3Diversity,空时发射分集） 、SM（Spatial Multiplexing,空分复用）和自适应切换方式，同时定义了 Matrix A、Matrix B 和 Matrix C 3 种编码矩阵。华为公司 WiMAX 802.16e 系统目前已全面支持 Matrix A，并将在 200
10、8 年 9 月支持 MIMO Matrix B 和 MIMO Matrix C。WiMAX802.16e 系统中，MIMO 技术与 OFDMA 技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使 WiMAX 系统容量倍增，从而大幅降低网络建设成本和维护成本，有力推动了移动 WiMAX发展。(1)与 OFDMA 完美结合WiMAX802.16e 系统中，MIMO,OFDMA（OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交频分复用接入) 的完美结合，更能体现出 MIMO 的技术优势。MIMO 系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO 仍然无能为力，
11、其他通信系统一般采用均衡技术来解决 MIMO 系统中的频率选择性衰落。WiMAX 的 OFDMA 技术可以很好地克服频率选择性衰落。下一代移动通信需要高的频谱利用率技术，但 OFDMA 提高频谱利用率的能力毕竟有限。结合 MIMO 技术，可以在不增加系统带宽的情况下进一步提高频谱效率。MIMO+OFDMA 技术既可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性和增强系统的稳定性。另外，OFDMA 由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力，多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响，这样就可以使单频网络使用宽带 OFDMA 系统依靠 MIMO 技术消除阴影效应，真正实
12、现网络的无缝覆盖。(2)大幅提高网络覆盖能力WiMAX802.16e 由于采用较高的工作频段，传播损耗比其他移动通信系统高，如何扩展网络覆盖能力也是 WiMAX 面临的挑战之一。MIMO 技术在 WiMAX 系统的应用，可以大幅度提高网络覆盖能力。MIMO 在分集模式下，通过分集增益增加小区覆盖半径；在复用模式下，通过提升小区边缘速率获得的分集增益来提升小区覆盖半径；在自适应切换模式下，小区边缘工作在分集模式下，覆盖增益与仅分集模式相同。通过华为公司的系统仿真结果表明，在分集或自适应切换模式下，2T2R（2Transmit2 Receive，两路发射两路接收）MIMO 相比SISO（Singl
13、e Input Single Output，单输入单输出）有 210dB 的覆盖增益，覆盖半径增加 5090；仅复用模式下，在小区边缘可以间接获得 35dB 的覆盖增益。另外MIMO 还可以有效提高小区边缘覆盖概率 4。2007 年 8 月，在日本东京，华为与当地运营商 J:COM 一起对 MIMO 的实际使用效果进行了测试。测试结果表明，采用 MIMOMatrixA 技术可以有效提高 WiMAX802.16e 系统的覆盖半径，可以大幅减少网络建设所需要的基站数目。(3)使系统容量倍增WiMAX802.16e 系统可提供极高的数据吞吐量和移动性，让用户能够随时在线，即使处于移动状态也能获得真正
14、的宽带体验。MIMO 技术在复用模式下，可以成倍提高系统吞吐量和频谱效率，并可以成倍提高单用户峰值速率；在分集模式下，通过增加高阶调制方式的比例来提高系统吞吐量和频谱效率；在自适应切换模式下，小区中心工作在复用模式，小区边缘工作在分集模式，因此系统吞吐量和频谱效率增强效果介于两者之间。OFDMA 和MIMO 技术的应用，使 WiMAX802.16e 系统能够最大程度地提高频谱效率，提供高品质移动视频和电视业务所需的高速度和高带宽。华为公司的系统仿真结果表明，采用 MIMO22MatrixB 技术后，可以提高 WiMAX 16e系统吞吐量约 3060，同时可以成倍提高用户的峰值速率，保证 WiM
15、AX 用户获得更好的业务体验。（4）大幅降低网络建网和维护成本在密集城区和 CBD 区域，高端用户多，对系统吞吐量和峰值速率要求高，容易出现容量受限的情况。采用 MIMOMatrixB 技术后，WiMAX 系统下行容量提升 55，上行容量提升433；在容量受限场景，基站数目将减少 25左右。相比其他多天线技术如AAS（Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System，自适应天线系统，也称作先进天线系统）,MIMO 在密集城区的容量增益优势更为明显，可以有效降低高话务区域的建网成本或扩容成本 5。对于覆盖受限场景，采用 MIMO 技术可以增
16、加 50以上的覆盖半径，使单站点覆盖面积增加近 100，在一定覆盖面积下可节省 4060的基站数目。在郊区和农村区域引入 MIMO，可实现最少基站的最大覆盖，大幅降低初始建网成本。 另外，在安装和维护方面，AAS 天线最少为 4 波束天线，需要较高的天线安装空间；AAS 天线相比传统天线，所需馈线大大增加，增加工程量，同时铁塔走线架的宽度也得加宽；AAS 采用的天线重量大，对安装承载能力要求提高；另外 AAS 天线体积较大，防风能力差，抗风阻性要求高，不适合在风力大或者是台风多发区域使用。MIMO 相比 AAS，需要的天线数目少，一根普通的45 度双极化的天线就可以支持 22MIMO，对天线安装空间和承重要求低，容易部署、维护，可有效节省天线安装成本和维护成本 6。随着宽带数据用户和移动通信用户的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量，如何在一定的站点数目下提升网络覆盖性能，成为将来通信网络建设中需要重点考虑的问题。WiMAX802.16
