智能天線 - 智能天線技術(shù)MIMO在廣域無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用分析

本文討論的是最簡(jiǎn)單的，也是目前最常見的智能天線。如果接收器有一幅以上的天線，那么它能智能地組合來(lái)自不同天線接收到的信號(hào)，并識(shí)別出信號(hào)確實(shí)是來(lái)自兩個(gè)主要方向。它具有這個(gè)功能的原因是因?yàn)閮蓷l路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征 (spatial signature)。由于接收器能識(shí)別這兩種不同的空間特征，因此它能組合來(lái)自兩個(gè)天線的信號(hào)，并將二者累加起來(lái)形成更強(qiáng)的組合信號(hào)。這種方式被稱為單輸入[到信道1]多輸出[自信道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術(shù)被廣泛用于2G和現(xiàn)在的3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的鏈路基站側(cè)。

　　反過來(lái)，如果發(fā)送器有多幅天線，而接收器只有一幅天線，信號(hào)將仍沿相同的路徑傳播，因?yàn)槲锢憝h(huán)境沒變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相比，MISO的最大不同在于信號(hào)組合必須在發(fā)送端完成，而不是在接收端。通過仔細(xì)調(diào)整發(fā)送天線，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基站側(cè)有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和發(fā)送(工作在MISO模式)的天線。

　　在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發(fā)送器可以通過調(diào)整它的天線以讓圖2中藍(lán)色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送，而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因?yàn)榻邮掌饕灿卸喾炀€，因此它可以通過檢測(cè)不同的空間特征把兩條流分開來(lái)。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個(gè)完全不同的數(shù)據(jù)流，從用戶看來(lái)相當(dāng)于將數(shù)據(jù)速率提高了一倍。與單獨(dú)的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢(shì)，這種MIMO優(yōu)勢(shì)的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會(huì)降低單天線鏈路性能的

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　　圖2：具有兩個(gè)主導(dǎo)傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶數(shù)據(jù)速率加倍。值得注意的是，多天線處理可以完成波束整形，從而使信號(hào)沿著感興趣的信道傳播，而另外一個(gè)主導(dǎo)信道上不傳信號(hào)。

　　MIMO 系統(tǒng)能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數(shù)，對(duì)這一點(diǎn)的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導(dǎo)路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數(shù)據(jù)流。因此MIMO性能與系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關(guān)。幸運(yùn)的是，在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個(gè)并行數(shù)據(jù)流的散射和多徑傳播。

　　信息理論的研究表明，如果鏈路兩端都使用多幅天線，那么代表了數(shù)據(jù)速率上限的系統(tǒng)容量將隨天線數(shù)量的增加而呈線性增長(zhǎng)(在確定的信道前提下，并保持整體功率不變)。具有相同數(shù)量發(fā)送和接收天線的不同MIMO系統(tǒng)的理論容量如圖3所示，8×8

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　　圖3：具有N幅發(fā)送和接收天線的MIMO系統(tǒng)在保持總發(fā)送功率不變的條件下理論平均容量相對(duì)信噪比(SNR)曲線。

　　MIMO系統(tǒng)(即鏈路的每端有8幅天線)的容量最多可以達(dá)到單天線系統(tǒng)容量的8倍?？紤]所有的網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)和資本開支，MIMO技術(shù)提供的性能和經(jīng)濟(jì)效益要比單天線系統(tǒng)高出許多。特別是對(duì)于高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)，比如真正的寬帶接入、IPTV和大型文件傳輸，在這些應(yīng)用中受限的帶寬會(huì)引起嚴(yán)重的問題，而MIMO 技術(shù)則是很有前途的一種解決方案。

　　圖3的預(yù)測(cè)值只表征了理想系統(tǒng)的性能極限。信息理論對(duì)如何達(dá)到這些極限值沒有提供太多的實(shí)用性指導(dǎo)意見，實(shí)際系統(tǒng)面臨著如何充分利用信道提供的空間維度的挑戰(zhàn)。大體上有三種主要推薦的信道利用方法，前兩種方法著重單條鏈路的性能，第三種著重整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能：

　　1. 提高數(shù)據(jù)速率

　　上文討論的技術(shù)(如圖2中所示)通常稱為空間復(fù)用。對(duì)于有豐富散射環(huán)境的信道來(lái)說，通過在每幅天線上發(fā)送獨(dú)立的信息流可以提高數(shù)據(jù)速率，使用較為成熟的接收器技術(shù)可以將不同的數(shù)據(jù)流分離開來(lái)并進(jìn)行單獨(dú)解碼。例如使用4幅發(fā)送和4幅接收天線的系統(tǒng)容量將達(dá)到單天線系統(tǒng)的4倍。

　　2. 通過分集技術(shù)改善服務(wù)質(zhì)量

　　相反，如果在多幅天線多個(gè)符號(hào)(symbol)上發(fā)送相同的信號(hào)，那么就可以改善傳輸?shù)目煽啃?，而不是提高?shù)據(jù)速率。實(shí)際上在不同天線和不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)送多份信號(hào)拷貝的這種技術(shù)提供了空間-時(shí)間的分集。同時(shí)在空間和時(shí)間上傳播或編碼信息符號(hào)的技術(shù)被稱為空間-時(shí)間編碼技術(shù)。

　　3. 通過減輕干擾獲得更高的數(shù)據(jù)速率和更好的服務(wù)質(zhì)量

　　MIMO 系統(tǒng)中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環(huán)境的方法是優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)中的射頻能量分布，盡量減少網(wǎng)絡(luò)中共信道干擾的產(chǎn)生和敏感度。本文最后部分將詳細(xì)討論這種方法。利用更高的SINR(更高的SINR可實(shí)現(xiàn)更高的調(diào)制等級(jí)，因此鏈路可達(dá)到更高的數(shù)據(jù)速率)和經(jīng)典分集(可增加鏈路穩(wěn)定性)，這種方案可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更具魯棒性的鏈路。就像在MISO系統(tǒng)中，基站用多個(gè)空間信道來(lái)實(shí)現(xiàn)客戶設(shè)備一致的組合能量那樣，這些信道被客戶端用來(lái)改善這些空間’方向’中的有效靈敏度(像SIMO系統(tǒng)那樣)，降低基站發(fā)送所需的功率。相反的過程在上行鏈路上完成?；竞涂蛻粼O(shè)備通過自動(dòng)一致地運(yùn)行降低系統(tǒng)中的干擾水平。就像后文所要討論的那樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)性能是廣域網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵方面，而降低干擾是提高寬帶網(wǎng)絡(luò)性能的主要驅(qū)動(dòng)力。

　　全球的研究實(shí)驗(yàn)室業(yè)已證明MIMO技術(shù)在早期的無(wú)線局域網(wǎng)應(yīng)用中的實(shí)際可行性，其系統(tǒng)容量非常接近實(shí)驗(yàn)室中同時(shí)使用空間復(fù)用和空間-時(shí)間編碼技術(shù)所能達(dá)到的理論預(yù)測(cè)值。由于在最初應(yīng)用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術(shù)很快走出實(shí)驗(yàn)室，并應(yīng)用于實(shí)際的WLAN產(chǎn)品中。