MIMO技术在移动WiMAX中的应用

2007-10-11 11:12:53来源: 通信世界周刊
MIMO(MultipleInputMultipleOutput,多输入多输出)技术是下一代通信技术的一个重要突破,本文依据华为的系统仿真研究结果和外场实际测试结果,从网络覆盖增强、系统容量提升和降低建网成本等角度,对MIMO技术在移动WiMAX系统中的应用进行探索和分析。

近年来,全球基于传统线缆技术的宽带用户快速增长,3G移动用户数也在稳步增长。市场对于移动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。

MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线,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。N根发射天线和M根接收天线的MIMO系统框图如下图所示。

N根发射和M根接收MIMO的系统示意图

WiMAX802.16e定义了三种可选的MIMO方式,分别是STTD(SpacetimeTransmit Diversity , 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2008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。

与OFDMA完美结合

MIMO可以应用于所有的无线通信技术。在WiMAX802.16e系统中,MIMO和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,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,真正实现网络的无缝覆盖。

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(Single Input Single Output,单输入单输出)有2~10dB的覆盖增益,覆盖半径增加50%~90%;仅复用模式下,在小区边缘可以间接获得3~5dB的覆盖增益。另外 MIMO还可以有效提高小区边缘覆盖概率。

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。

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MIMO2×2MatrixB技术后,可以提升WiMAX 16e系统吞吐量约30%~60%,同时可以成倍提高用户的峰值速率,保证WiMAX用户获得更好的业务体验。

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33%;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。

对于覆盖受限场景,采用MIMO技术可以增加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40%~60%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2×2MIMO,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。

结束语

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。WiMAX802.16e系统引入MIMO多天线技术,并与OFDMA进行完美结合,通过增强系统在空间上的分辨能力,提高频谱利用率并提升网络的容量和覆盖性能,从而降低网络建设成本和维护成本,使WiMAX802.16e逐渐成为最有竞争力的无线宽带接入技术。

关键字:仿真  宽带  固定  吞吐

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200710/16147.html
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