基于智能天线MIMO的广域无线网络设计

广域无线网络运营商们正越来越多地采用移动宽带接入策略和丰富多媒体业务策略，这些策略对他们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型，需要对网络容量、用户数据速率、距离和覆盖质量做较大的改进。运营商对MIMO等智能天线技术提供的潜在性能增益的兴趣越来越大，因为这些技术能够满足这些挑战，从而带来网络的发展。在无线局域网(WLAN)领域已有实际应用的MIMO以及近来客户端设备技术的不断进步将促进广域网中MIMO应用的普及。

促使MIMO在局域网领域取得成功的许多局域网固有特性与广域网环境有着很大的区别，因此我们必须谨慎地对待这种在不同应用中的转变。在下面对广域网 MIMO应用的简要说明中，我们将重点突出干扰和有限散射特性，这二者是最重要的区别，也是实现中需要着重考虑的因素。对无线运营商来说有个好消息，即在广域网中确实可以实现MIMO的大部分理论增益，条件是采用具有网络意识(network-aware)的解决方案，这样的方案能够减少多蜂窝环境中的干扰，并保持受限散射条件下的运行稳定性。另外值得注意的是，由于无需对现有无线协议作任何修改就能获得这些性能增益，因此广域网中的MIMO要比一般想象的更容易实现。

图1：在基站(BS)和客户设备(CD)之间具有两条主导传播路径的无线信道，如图中箭头所示，该信道叠加在基站标称的120°扇区传送图案上。

定义MIMO技术

由于用户端设备对成本具有较大的敏感性，因此在目前商业广域网中的智能天线配置只是在链路的基站侧使用多幅天线，而客户端设备只有一幅天线。随着改善广域网经济的压力不断增大，以及客户端设备芯片集成度提高，以及对客户端增加智能天线处理的边缘成本的降低，运营商对在链路两端都使用智能天线的解决方案兴趣也越来越大。

两端同时用多幅天线将可以采用许多新的传输技术，这些技术在仅单端使用多幅天线的系统中是不可行的，在大多数情况下应用这些技术将提供更多的系统性能增益。

业界对智能天线的讨论，包括对用于各种不同实现中的术语有完全不同的定义，因此有必要简要介绍分类适用方法。先来看最简单的例子，考虑在链路的每端都只有一幅天线的某个系统，虽然信号向所有方向(一般在120°扇区内)发送，但某个具体的无线信道可能只有两条主导路径，如图1所示。本文所示例子是一个高位基站与一个路面的低位移动手机(更广泛地说是“客户设备”，因为有可能是移动计算平台)之间的通信，大部分接收信号来自于邻近建筑物的反射。这是一个单输入单输出(SISO)的信道。[注：在无线通信领域中所说的术语“输入”和“输出”是针对信道本身而言的，并非以信道两端的设备为参考。

本文讨论的是最简单的，也是目前最常见的智能天线。如果接收器有一幅以上的天线，那么它能智能地组合来自不同天线接收到的信号，并识别出信号确实是来自两个主要方向。它具有这个功能的原因是因为两条路径有不同的空间特性(spatial characteristic)或不同的空间特征 (spatial signature)。由于接收器能识别这两种不同的空间特征，因此它能组合来自两个天线的信号，并将二者累加起来形成更强的组合信号。这种方式被称为单输入[到信道1]多输出[自信道1](或SIMO)方式，这就是有名的接收器分集方案。接收分集技术被广泛用于2G和现在的3G蜂窝网络的链路基站侧。

反过来，如果发送器有多幅天线，而接收器只有一幅天线，信号将仍沿相同的路径传播，因为物理环境没变(建筑物仍在那儿)。这种传播方式称为多输入单输出(MISO)方式。与SIMO相比，MISO的最大不同在于信号组合必须在发送端完成，而不是在接收端。通过仔细调整发送天线，两条路径能够以与SIMO相同的方式完成叠加。这种方法被广泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系统，这种系统的基站侧有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和发送(工作在MISO模式)的天线。

在链路两端提供多幅天线的方式就是MIMO方式。在这种情况下，可以更高效地使用这两条路径，如图2所示。发送器可以通过调整它的天线以让图2中蓝色所示的信息流沿第一条路径(也就是空间特征)发送，而橙色所示的另外一条信息流沿另一条路径发送。因为接收器也有多幅天线，因此它可以通过检测不同的空间特征把两条流分开来。在这种情况下，发送器可以发送两个完全不同的数据流，从用户看来相当于将数据速率提高了一倍。与单独的MISO或SIMO处理相比，这种方式在最佳状态下具有材料上的优势，这种MIMO优势的取得不需要增加额外的带宽和功率。一般会降低单天线链路性能的多径传输在MIMO方式中反而会提高信道效率和质量。

MIMO 系统能够利用多径传播的前提是在传播环境中存在这些空间维数，对这一点的理解非常重要。在图2中，一共有4幅天线，但只有两条主导路径。在这种情况下即使有4幅天线也只能形成两条数据流。因此MIMO性能与系统应用环境中多径的丰富程度密切相关。幸运的是，在许多环境中存在足够多支持多个并行数据流的散射和多径传播。

信息理论的研究表明，如果链路两端都使用多幅天线，那么代表了数据速率上限的系统容量将随天线数量的增加而呈线性增长(在确定的信道前提下，并保持整体功率不变)。具有相同数量发送和接收天线的不同MIMO系统的理论容量如图3所示，8×8

图2：具有两个主导传播路径的通信信道在MIMO方式下可以使用户数据速率加倍。值得注意的是，多天线处理可以完成波束整形，从而使信号沿着感兴趣的信道传播，而另外一个主导信道上不传信号。

MIMO系统(即链路的每端有8幅天线)的容量最多可以达到单天线系统容量的8倍。考虑所有的网络的运营和资本开支，MIMO技术提供的性能和经济效益要比单天线系统高出许多。特别是对于高数据速率的业务，比如真正的宽带接入、IPTV和大型文件传输，在这些应用中受限的带宽会引起严重的问题，而MIMO 技术则是很有前途的一种解决方案。

图3的预测值只表征了理想系统的性能极限。信息理论对如何达到这些极限值没有提供太多的实用性指导意见，实际系统面临着如何充分利用信道提供的空间维度的挑战。大体上有三种主要推荐的信道利用方法，前两种方法着重单条链路的性能，第三种着重整个网络性能：

1. 提高数据速率
上文讨论的技术(如图2中所示)通常称为空间复用。对于有丰富散射环境的信道来说，通过在每幅天线上发送独立的信息流可以提高数据速率，使用较为成熟的接收器技术可以将不同的数据流分离开来并进行单独解码。例如使用4幅发送和4幅接收天线的系统容量将达到单天线系统的4倍。

2. 通过分集技术改善服务质量
相反，如果在多幅天线多个符号(symbol)上发送相同的信号，那么就可以改善传输的可靠性，而不是提高数据速率。实际上在不同天线和不同时间点发送多份信号拷贝的这种技术提供了空间-时间的分集。同时在空间和时间上传播或编码信息符号的技术被称为空间-时间编码技术。

3. 通过减轻干扰获得更高的数据速率和更好的服务质量
MIMO 系统中利用空间维度的另外一种适合更多干扰环境的方法是优化整个系统中的射频能量分布，尽量减少网络中共信道干扰的产生和敏感度。本文最后部分将详细讨论这种方法。利用更高的SINR(更高的SINR可实现更高的调制等级，因此链路可达到更高的数据速率)和经典分集(可增加链路稳定性)，这种方案可以提供更高的数据速率和更具鲁棒性的链路。就像在MISO系统中，基站用多个空间信道来实现客户设备一致的组合能量那样，这些信道被客户端用来改善这些空间’方向’中的有效灵敏度(像SIMO系统那样)，降低基站发送所需的功率。相反的过程在上行链路上完成。基站和客户设备通过自动一致地运行降低系统中的干扰水平。就像后文所要讨论的那样，整个网络性能是广域网系统优化的关键方面，而降低干扰是提高宽带网络性能的主要驱动力。

全球的研究实验室业已证明MIMO技术在早期的无线局域网应用中的实际可行性，其系统容量非常接近实验室中同时使用空间复用和空间-时间编码技术所能达到的理论预测值。由于在最初应用中获得了巨大性能增益，MIMO技术很快走出实验室，并应用于实际的WLAN产品中。

MIMO早期在WiFi上取得的成功

宣传最多的MIMO实现是在固定的无线局域网环境中，在这种环境中MIMO的最大好处是提高了单个用户设备的吞吐量。特别是家庭和企业级WLAN所具有的多个特性使它们成为最早采纳MIMO的理想候选网络，这些特性包括：

1. 丰富的散射
大多数WiFi系统都处在有大量散射条件的环境中，如室内或密集的城市建筑物间。在这些环境中通常有多条传播路径或空间维度可用来形成多个流。事实上，室内环境与获得图3所示的容量随天线数量增加而呈线性增长所需的条件非常相似。
2. 独立部署
获得快速部署的一个重要因素是WiFi设备通常是最终用户自己购买的，并且在他们自己的网络中是独立部署的。不同MIMO WiFi解决方案的互操作性并不成问题，就像IEEE 802.11n产品在公共MIMO标准获得一致意见之前取得成功所表明的那样，允许快速部署MIMO技术，不需要等到标准的统一。
3. 有限的干扰
同样关键的是WiFi环境非常接近研究MIMO技术的理论假设。由于WiFi网络的短距离和动态信道分配特性，MIMO接收器一般工作时没有很大的共信道干扰。如果工作在没有补偿的共信道干扰环境中，这些解决方案的性能会很快下降。

MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潜在性能改善是真实的。从实验室结果到实际的WiFi产品只用了短短几年的时间，这一事实对广域网无线网络运营商来说意味着再次取得成功的机会非常大。

广域网所面临的挑战

使MIMO在WiFi产品中得到成功应用的性能优势同样使MIMO成为广域无线移动环境中的一种可能的技术选择。然而，移动、多蜂窝环境与WiFi射频环境在某些方面有本质的区别，因此移动环境面临诸多配置方面的挑战。

1. 干扰

图3：具有N幅发送和接收天线的MIMO系统在保持总发送功率不变的条件下理论平均容量相对信噪比(SNR)曲线。

由于采用密集的和大蜂窝部署方式，广域环境中的干扰特别严重。在这种环境中，干扰抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，为了将MIMO在WLAN的成功应用经验推广到广域网和移动宽带数据业务，必须采用新的MIMO解决方案，并且要兼顾干扰和数据速率。

2. 有限散射
在某些情况下，广域散射环境只能有一条或两条主导路径。例如，如果是视距(LOS)传播，那么就只有一条主导传播路径，也就限制了空间复用技术的使用。

3. 互操作性
在广域网络中，所有用户都需要无缝地通过大型网络(跨越地区和运营商)与基站进行通信，因此必须支持互操作性。像上述使用空间复用或空间-时间编码技术的解决方案需要修改协议，因此会极大地增加广域网中的MIMO解决方案产品的面市时间。例如，接收器需要知道发送器使用的空间-时间代码才能正确地对数据解码。将MIMO纳入移动系统的工作已经在多个标准化组织中展开，比如IEEE 802.16e标准，但具有鲁棒性的商用产品仍需相当一段时间才能正式上市。

这些因素使得在广域网中采用MIMO会比WiFi面临更多的挑战，需要采用能够解决大型多蜂窝网络特有属性的新解决方案。MIMO在广域网中的成功实现将取决于下面两个关键属性：

干扰抑制。在广域网中为了减少干扰，至少要部分使用通过链路两端的天线阵列获得的更多自由度。与只在单端进行干扰抑制的系统相比，在发送器和接收器端同时进行干扰抑制可以显著地减少网络干扰。

鲁棒性解决方案。需要开发出能够解决主导传播路径数量有限的方案，即使在有限散射的信道中，通过发送器和接收器端组合信号仍可以获得显著的性能增益。最近的研究表明，即使是只有一条主导传播路径的信道(也称为锁眼信道，key-hole channel)，在链路两端同时使用智能天线技术仍能获得可观的性能增益。

用于广域网的MIMO

不需要修改已有协议，也不用等到新协议完成就能在现有广域网中获得显著的MIMO增益。基站采用自适应阵列处理技术、移动终端采用类似处理技术即可获得明显的性能改善，这就是上文提到的第三种基本MIMO方法。事实上，理论研究也指出，这是在广域网中最常见的多信道条件下所采取的最佳方法。同时增强信号强度和干扰抑制性能对推进广域网的发展、支持运营商越来越高的带宽和多媒体业务目标显得尤为重要。

下面介绍能够平衡干扰抑制和吞吐量的解决方案。基站通过计算天线阵列的组合权重尽量减少基站方面的干扰。同样，移动终端使用它的天线阵列减少手机方面的干扰。由于在基站或客户设备上都不需要特殊的链路编码，因此 MIMO处理的实现和操作可以完全独立于每个设备。结果将形成一个自组织和自优化的系统，它能连续适应变化的干扰环境和用户不断变化的业务需求。由于这种 MIMO方法中链路两端设备是互相独立的，因此即使在不同种类网络或正在升级变化中的网络(不是所有基站和客户设备都装备有多幅天线的网络)条件下也能提供优异的性能。单天线终端可以使用SIMO(发送中)或MISO(接收中)信道简单地加入这样的网格，并与多天线终端一起工作。这种干扰最小化MIMO技术所带来的总体网络性能将随着系统中多天线设备的增多而日益增强。

本文小结

MIMO 技术提供的性能增益为推动无线通信的下一步发展提供了极具前景的动力。为WiFi市场和广域网提供性能增强的MIMO设备不久就会上市。然而，广域移动无线系统中的射频环境与WiFi完全不同，干扰是最大的挑战。幸运的是，现在已经有了基于自适应天线处理技术的广域网MIMO解决方案，能够在单天线系统中提供巨大的性能增益。这些解决方案通过多幅天线和信道内部固有的空间维数可以完全满足干扰和吞吐量要求。而且大部分增益性能可以在不修改协议的条件下实现，相信在不远的将来这些解决方案很快会得到广泛应用。因此，广域MIMO应用可能要比想象的更容易实现。