从用于移动WiMAX的早期MIMO实现中得到的重要经验

目前，无线运营商正在将重点转向数据和多媒体业务，并以此作为收入增长点。由于选用这些业务的用户经济能力有很大的差别，因此迫切需要改善无线设备性能，实现实质性的差异化(见图1)。不幸的是，除了空间尺寸外，近年来无线领域中并没有开发出太多新的性能改进技术。而多天线信号处理(MAS)软件可以更好地用来控制无线能量的空间分布，并被证明可以将性能提高几个数量级。因此MAS现在已经成为下一代无线网络的重要组成部分。

在去年早些时候的电子工程专辑中我们已经对MAS技术做了简要介绍(包括众所周知的智能天线、空间时间处理或MIMO)，当时重点讨论了源于Wi-Fi的MIMO技术应用于广域系统时需要考虑的问题。本文将详细介绍不同MAS架构的基本功能以及WiMAX环境下MIMO的实现。

多天线信号处理的本质

所有MAS架构都遵从相同的基本原理：在通信链路的一端或两端(也就是基站和/或用户设备)有两幅以上的天线，它们需要对这些天线的接收和/或发射信号执行某种程度的协同处理。因此，关键设计选择和需要考虑的变化因素包括：

1. 基站中无线收发链路的数量；

2. 用户设备上无线收发链路的数量；

3. 目标利益(表1中哪些是追求的目标？)；

4. 在业务信道、链路的某个方向和某个端点(上行和/或下行、发送和/或接收)上所采用的MAS算法种类；

5. 控制信道处理的方法；

6. 物理层处理(实现MAS的地方)和媒体访问层(调度)之间的协作程度和特征；

7. 发送校准的方法。

采用MAS技术的网络系统工程需要根据以下内容对这些基本架构做出最优选择：

1. 空中接口要适应或兼容MAS(并不是所有接口都能适用于MAS的实现)。

2. 功能灵活性——蜂窝中的所有用户是否都要受限于相同的处理模式、算法和天线数量，或者说系统能否采用多种方法来适用于不同的应用条件？

3. 应用本身的许多属性，即所支持的网络工作情况，包括网络规模、负载、频谱分配、业务定义、用户行为(包括移动性)、成本和复杂性约束，特别是地点设定及客户设备、绿色场地对升级部署的影响等。

措施和功效

所有MAS架构和处理方法都利用了以下四种增益和功能的一些组合：

空间分集 充分利用了固有信道差异的优势，这些差异存在于以空间或极化分隔的天线之间。空间分集只有在并非所有信道都同时处于深度衰落的条件下才有用，这种可能性与环境中的散射数量有很大的关系。空间分集链路预算增益一般在4~7dB量级。

相干(合成)处理 在理解无线信道特征(信道状态信息)的基础上，对送往或来自多个天线的信号进行加权，并在感兴趣的无线空间方向创建最大的相干合成信号(或具有最高灵敏度)。这种方法可以额外降低一些被动干扰，因为更加集中的能量分布在一定程度上可以减少固有的同道干扰。这种合成多路信号来提高相干增益的方法称作为“波束成形”，尽管者在事实上是最有效的方法，但在多径和散射环境中工作时并不创建真正的“波束”。最大比例合成(MRC)或发射(MRT)就是这类例子。最终的合成增益是天线数量(通常为10log(n))和所用信道信息质量的函数。

图1：针对所消耗的单位网络容量，用户表达为各类业务的消费意愿时，在语音、视频和数据业务方面的意愿支出显示出巨大差别 [page]

降低干扰技术 为了有效地向没有能量的同道干扰信号的空间方向上发射信号以及接收该方向上的信号，需要在相干合成增益基准方向上增加增益。这也被称作为“零点”或有源干扰对消(AIC)。AIC增益可能很大，实际上可以达到15~30dB。

空分复用(SM) 是这样一种相干处理技术，可以在无线和物理空间中两个不同的地点同时解析两个或多个从相同无线发射源(或信道)发出的不同信息流。这些信息流可以在单个接收端点(基站或客户设备)处合成，从而可以增加单条链路的数据速率——采用MIMO的WiMAX MatrixB模式就是很好的一个例子；它们也可以在不同端点(如不同的客户设备)上进行分解，并通过更高的频谱复用增加系统容量，这时也称为空分多址，或SDMA。SM不直接影响链路预算，但它对整个频谱效率或平均客户数据率或两者都有很大的影响(超过2倍)，其影响程度取决于具体使用方法。

图2：MAS算法可以根据信道知识、减小干扰和空分复用的综合考虑来进行分组

图2中进行了总体介绍，其中最常见的MAS算法都属于信道知识、AIC和SM这种框架。需要注意的是，第一代基于较少信道知识(如到达角)的波束成形简化方法没有被包含在目前该领域的产品系列中，因为缺乏现实环境中的知识，已证明其性价比较差。

每种工具都最适合于一组特定的需求和用户行为。举例来说，对于最关注高数据速率的应用，一系列的系统资源应该用于空分复用这一列，因为这样可以实现最高的数据速率。对于具有很高移动性能的用户来说，底部的一排是最有效的，因为它不需要依赖信道知识(目前当用户时速超过100千米时就很难保持高质量接收)就能正常工作。

从针对移动WiMAX的MIMO性能表征得到的早期反馈

就像当初的报告指出的那样，在当前的WiMAX领域人们对MIMO型移动WiMAX设备的性能仍持怀疑态度。由于至今还没有移动WiMAX设备在多蜂窝、多用户环境(即有实际负荷的网络)中实现和测试过，性能表征还只是停留在链路和网络级仿真。正如下面将要详细解释的那样，建立这种仿真是一项非常复杂的任务，而采取简化措施(如干扰平均)可能会在根本上产生错误结果。ArrayComm研究人员与合作伙伴英特尔、KT和其它公司一起，已经在802.16性能的链路和网络级仿真方面做了两年多的工作。我们的性能仿真方案中融合了在过去14年时间内积累的在现实环境中开发MAS所获得的现场经验。这里我们将重点介绍最新的工作成果。

移动WiMAX规范中包含大量不同的处理模式和架构。限于篇幅本文不能详细介绍每种模式的特征，但提供了选择部署场合的总览(更多细节将在电子工程专辑上的后续文章中陆续发表)。图3显示了其它情况都相同条件下关键的覆盖范围和容量大小比较。

图3：基于目前为止的ArrayComm链路和网络级仿真工作所得到的移动WiMAX架构的总体特征

这些架构的定义如表1所示。基本架构MAS性能和充分利用上述所有四种MAS增益设计的性能有本质的区别。 [page]

表1：不同WiMAX设计架构的具体定义描述

并非所有MAS方法都有效

过去15年来业界已经尝试了许多实现MAS概念的方法。一些早期尝试包含了大型、昂贵和精确校准阵列天线，但最终效果都不是很好。一些尝试还包含所谓的“appliqué”解决方案——售后增加的设备，由于与现有无线硬件的整合非常有限，而且算法简单，因此性能也不是太好。

由于MAS软件资源99%来自商用广域部署技术的共享，ArrayComm公司基于14年的现场经验，能够为MAS实现提供一些应用指导，并帮助业界建立良好的基础。具体算法的技术讨论不在本文讨论范围之内，下面给出一些总的原则：

工作要做得彻底 来自单天线的许多网络或经济分析和性能仿真工具(如干扰平均)在应用到MAS技术时会产生错误结果。做到正确的MAS分析无疑更加复杂，但是很必要。

全面考虑 一开始就应该将MAS集成进客户和基础架构设计中，而不是到以后再增加MAS，这样能够以最小的边际成本获得最高的性能。图4所示的架构说明了MAS是如何适用于普通的WiMAX客户端设备和基站设备架构的。

图4：目前用于WiMAX的MAS实现方框图

考虑网络性能而不仅是链路 正如上文总结的那样，针对单条链路取得有用结果的MAS模式(如WiMAX中STCMIMO的基线形式)在多蜂窝多用户环境中可能产生问题。因此针对满负荷系统的网络级分析是必需的。

使用多种方法 使用正确的工具。从一个市场到另一个市场，从这一段时间到另一段时间，运营商要求和用户行为都在不断地改变。不同的MAS架构在不同应用中有各自的优缺点，并没有一个“最佳”方法。因此最好在系统中包含所有的方法(这是可能的，因为这是软件系统)，让环境条件来确定使用哪种方法。

预测所有方法的动态无缝使用 我们在PHS系统中(该应用选用八种不同的MAS算法，以逐个帧和逐个用户为基础来优化性能)已经证明MAS架构可以是非常动态的系统。有许多级无线系统控制(比如从单个单元到网络级)可被集成进这类自组织优化过程。