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/wltx/RFID/200710/1770.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
仿真
宽带
固定
吞吐

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved