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智能天线技能MIMO广域无线网络使用剖析

广域无线网络运营商们正越来越多地涉足移动宽带接入和丰富多媒体业务,这些业务对无线网络提出了极大的挑战,运营商需要对网络容量、用户数据速率、距离和覆盖质量做较大的改进,而多输入多输出(MIMO)智能天线

  广域无线网络运营商们正越来越多地选用移动宽带接入战略和丰厚多媒体事务战略,这些战略对他们的无线网络提出了极大的应战。为了树立和坚持获利的商业模型,需求对网络容量、用户数据速率、间隔和掩盖质量做较大的改进。运营商MIMO等智能天线技能供给的潜在功用增益的爱好越来越大,因为这些技能能够满意这些应战,然后带来网络的开展。在无线局域网(WLAN)范畴已有实践运用的MIMO以及近来客户端设备技能的不断进步将促进广域网中MIMO运用的遍及。

  促进MIMO在局域网范畴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差异,因而咱们有必要慎重地对待这种在不同运用中的改变。鄙人面对广域网MIMO运用的扼要阐明中,咱们将要点杰出搅扰和有限散射特性,这二者是最重要的差异,也是完结中需求侧重考虑的要素。对无线运营商来说有个好消息,即在广域网中的确能够完结MIMO的大部分理论增益,条件是选用具有网络认识(network-aware)的处理计划,这样的计划能够削减多蜂窝环境中的搅扰,并坚持受限散射条件下的运转稳定性。别的值得注意的是,因为无需对现有无线协议作任何修正就能取得这些功用增益,因而广域网中的MIMO要比一般幻想的更简略完结。

  界说MIMO技能

  因为用户端设备对本钱具有较大的敏感性,因而在现在商业广域网中的智能天线装备只是在链路的基站侧运用多幅天线,而客户端设备只要一幅天线。跟着改进广域网经济的压力不断增大,以及客户端设备芯片集成度进步,以及对客户端添加智能天线处理的边际本钱的下降,运营商对在链路两头都运用智能天线的处理计划爱好也越来越大。

  


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

  两头一同用多幅天线将能够选用许多新的传输技能,这些技能在仅单端运用多幅天线的体系中是不可行的,在大多数情况下运用这些技能将供给更多的体系功用增益。

  业界对智能天线的评论,包含对用于各种不同完结中的术语有彻底不同的界说,因而有必要扼要介绍分类适用办法。先来看最简略的比方,考虑在链路的每端都只要一幅天线的某个体系,尽管信号向一切方向(一般在120°扇区内)发送,但某个具体的无线信道或许只要两条主导途径,如图1所示。本文所示比方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”,因为有或许是移动核算渠道)之间的通讯,大部分接纳信号来自于附近建筑物的反射。这是一个单输入单输出(SISO)的信道。[注:在无线通讯范畴中所说的术语“输入”和“输出”是针对信道自身而言的,并非以信道两头的设备为参阅]

  本文评论的是最简略的,也是现在最常见的智能天线。假如接纳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纳到的信号,并辨认出信号的确是来自两个首要方向。它具有这个功用的原因是因为两条途径有不同的空间特性(spatial characteristic)或不同的空间特征(spatial signature)。因为接纳器能辨认这两种不同的空间特征,因而它能组合来自两个天线的信号,并将二者累加起来构成更强的组合信号。这种办法被称为单输入[到信道1]多输出[自信道1](或SIMO)办法,这便是有名的接纳器分集计划。接纳分集技能被广泛用于2G和现在的3G蜂窝网络的链路基站侧。

  反过来,假如发送器有多幅天线,而接纳器只要一幅天线,信号将仍沿相同的途径传达,因为物理环境没变(建筑物仍在那儿)。这种传达办法称为多输入单输出(MISO)办法。与SIMO比较,MISO的最大不同在于信号组合有必要在发送端完结,而不是在接纳端。经过细心调整发送天线,两条途径能够以与SIMO相同的办法完结叠加。这种办法被广泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)体系,这种体系的基站侧有多幅用于接纳(作业在SIMO形式)和发送(作业在MISO形式)的天线。

  在链路两头供给多幅天线的办法便是MIMO办法。在这种情况下,能够更高效地运用这两条途径,如图2所示。发送器能够经过调整它的天线以让图2中蓝色所示的信息流沿第一条途径(也便是空间特征)发送,而橙色所示的别的一条信息流沿另一条途径发送。因为接纳器也有多幅天线,因而它能够经过检测不同的空间特征把两条流分开来。在这种情况下,发送器能够发送两个彻底不同的数据流,从用户看来适当于将数据速率进步了一倍。与独自的MISO或SIMO处理比较,这种办法在最佳状态下具有资料上的优势,这种MIMO优势的取得不需求添加额定的带宽和功率。一般会下降单天线链路功用的多径传输在MIMO办法中反而会进步信道功率和质量。

  MIMO体系能够运用多径传达的条件是在传达环境中存在这些空间维数,对这一点的了解十分重要。在图2中,一共有4幅天线,但只要两条主导途径。在这种情况下即便有4幅天线也只能构成两条数据流。因而MIMO功用与体系运用环境中多径的丰厚程度密切相关。走运的是,在许多环境中存在足够多支撑多个并行数据流的散射和多径传达。

  信息理论的研讨标明,假如链路两头都运用多幅天线,那么代表了数据速率上限的体系容量将随天线数量的添加而呈线性添加(在确认的信道条件下,并坚持全体功率不变)。具有相同数量发送和接纳天线的不同MIMO体系的理论容量如图3所示,8×8

  MIMO体系(即链路的每端有8幅天线)的容量最多能够到达单天线体系容量的8倍。考虑一切的网络的运营和本钱开支,MIMO技能供给的功用和经济效益要比单天线体系高出许多。特别是关于高数据速率的事务,比方实在的宽带接入、IPTV和大型文件传输,在这些运用中受限的带宽会引起严峻的问题,而MIMO技能则是很有出路的一种处理计划。

  


图2:具有两个主导传达途径的通讯信道在MIMO办法下能够运用户数据速率加倍。值得注意的是,多天线处理能够完结波束整形,然后使信号沿着感爱好的信道传达,而别的一个主导信道上不传信号。

  

  图3的猜测值只表征了抱负体系的功用极限。信息理论对怎么到达这些极限值没有供给太多的实用性辅导定见,实践体系面对着怎么充分运用信道供给的空间维度的应战。大体上有三种首要引荐的信道运用办法,前两种办法侧重单条链路的功用,第三种侧重整个网络功用:

  1. 进步数据速率

  上文评论的技能(如图2中所示)一般称为空间复用。关于有丰厚散射环境的信道来说,经过在每幅天线上发送独立的信息流能够进步数据速率,运用较为老练的接纳器技能能够将不同的数据流别离开来并进行独自解码。例如运用4幅发送和4幅接纳天线的体系容量将到达单天线体系的4倍。

  2. 经过分集技能改进服务质量

  相反,假如在多幅天线多个符号(symbol)上发送相同的信号,那么就能够改进传输的可靠性,而不是进步数据速率。实践上在不同天线和不一同间点发送多份信号复制的这种技能供给了空间-时刻的分集。一同在空间和时刻上传达或编码信息符号的技能被称为空间-时刻编码技能。

  3. 经过减轻搅扰取得更高的数据速率和更好的服务质量

  MIMO体系中运用空间维度的别的一种合适更多搅扰环境的办法是优化整个体系中的射频能量散布,尽量削减网络中共信道搅扰的发生和敏感度。本文最终部分将具体评论这种办法。运用更高的SINR(更高的SINR可完结更高的调制等级,因而链路可到达更高的数据速率)和经典分集(可添加链路稳定性),这种计划能够供给更高的数据速率和更具鲁棒性的链路。就像在MISO体系中,基站用多个空间信道来完结客户设备共同的组合能量那样,这些信道被客户端用来改进这些空间’方向’中的有用灵敏度(像SIMO体系那样),下降基站发送所需的功率。相反的进程在上行链路上完结。基站和客户设备经过主动共同地运转下降体系中的搅扰水平。就像后文所要评论的那样,整个网络功用是广域网体系优化的要害方面,而下降搅扰是进步宽带网络功用的首要驱动力。

  全球的研讨实验室业已证明MIMO技能在前期的无线局域网运用中的实践可行性,其体系容量十分挨近实验室中一同运用空间复用和空间-时刻编码技能所能到达的理论猜测值。因为在开始运用中取得了巨大功用增益,MIMO技能很快走出实验室,并运用于实践的WLAN产品中。

  MIMO前期在WiFi上取得的成功

  宣扬最多的MIMO完结是在固定的无线局域网环境中,在这种环境中MIMO的最大优点是进步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选用MIMO的抱负候选网络,这些特性包含:

  1. 丰厚的散射

  大多数WiFi体系都处在有很多散射条件的环境中,如室内或密布的城市建筑物间。在这些环境中一般有多条传达途径或空间维度可用来构成多个流。现实上,室内环境与取得图3所示的容量随天线数量添加而呈线性添加所需的条件十分相似。

  2. 独立布置

  取得快速布置的一个重要要素是WiFi设备一般是最终用户自己购买的,并且在他们自己的网络中是独立布置的。不同MIMO WiFi处理计划的互操作性并不成问题,就像IEEE 802.11n产品在公共MIMO规范取得共同定见之前取得成功所标明的那样,答应快速布置MIMO技能,不需求比及规范的一致。

  3. 有限的搅扰

  相同要害的是WiFi环境十分挨近研讨MIMO技能的理论假定。因为WiFi网络的短间隔和动态信道分配特性,MIMO接纳器一般作业时没有很大的共信道搅扰。假如作业在没有补偿的共信道搅扰环境中,这些处理计划的功用会很快下降。

  MIMO在WiFi中的成功布置标明由MIMO供给的潜在功用改进是实在的。从实验室成果到实践的WiFi产品只用了短短几年的时刻,这一现实对广域网无线网络运营商来说意味着再次取得成功的时机十分大。

  广域网所面对的应战

  使MIMO在WiFi产品中得到成功运用的功用优势相同使MIMO成为广域无线移动环境中的一种或许的技能挑选。但是,移动、多蜂窝环境与WiFi射频环境在某些方面有实质的差异,因而移动环境面对许多装备方面的应战。

  1. 搅扰

  因为选用密布的和大蜂窝布置办法,广域环境中的搅扰特别严峻。在这种环境中,搅扰按捺和大吞吐量功用都是必需的。因而,为了将MIMO在WLAN的成功运用经历推行到广域网和移动宽带数据事务,有必要选用新的MIMO处理计划,并且要统筹搅扰和数据速率。

  


图3:具有N幅发送和接纳天线的MIMO体系在坚持总发送功率不变的条件下理论均匀容量相对信噪比(SNR)曲线。

  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途径。例如,假如是视距(LOS)传达,那么就只要一条主导传达途径,也就约束了空间复用技能的运用。

  3. 互操作性

  

  在广域网络中,一切用户都需求无缝地经过大型网络(跨过区域和运营商)与基站进行通讯,因而有必要支撑互操作性。像上述运用空间复用或空间-时刻编码技能的处理计划需求修正协议,因而会极大地添加广域网中的MIMO处理计划产品的面市时刻。例如,接纳器需求知道发送器运用的空间-时刻代码才干正确地对数据解码。将MIMO归入移动体系的作业已经在多个规范化安排中打开,比方IEEE 802.16e规范,但具有鲁棒性的商用产品仍需适当一段时刻才干正式上市。

  

  这些要素使得在广域网中选用MIMO会比WiFi面对更多的应战,需求选用能够处理大型多蜂窝网络特有特点的新处理计划。MIMO在广域网中的成功完结将取决于下面两个要害特点:

  

  搅扰按捺。在广域网中为了削减搅扰,至少要部分运用经过链路两头的天线阵列取得的更多自由度。与只在单端进行搅扰按捺的体系比较,在发送器和接纳器端一同进行搅扰按捺能够显着地削减网络搅扰。

  

  鲁棒性处理计划。需求开宣布能够处理主导传达途径数量有限的计划,即便在有限散射的信道中,经过发送器和接纳器端组合信号仍能够取得显着的功用增益。最近的研讨标明,即便是只要一条主导传达途径的信道(也称为锁眼信道,key-hole channel),在链路两头一同运用智能天线技能仍能取得可观的功用增益。

  用于广域网的MIMO

  不需求修正已有协议,也不必比及新协议完结就能在现有广域网中取得显着的MIMO增益。基站选用自习惯阵列处理技能、移动终端选用相似处理技能即可取得显着的功用改进,这便是上文说到的第三种根本MIMO办法。现实上,理论研讨也指出,这是在广域网中最常见的多信道条件下所采纳的最佳办法。一同增强信号强度和搅扰按捺功用对推进广域网的开展、支撑运营商越来越高的带宽和多媒体事务方针显得尤为重要。

  下面介绍能够平衡搅扰按捺和吞吐量的处理计划。基站经过核算天线阵列的组合权重尽量削减基站方面的搅扰。相同,移动终端运用它的天线阵列削减手机方面的搅扰。因为在基站或客户设备上都不需求特别的链路编码,因而MIMO处理的完结和操作能够彻底独立于每个设备。成果将构成一个自安排和自优化的体系,它能接连习惯改变的搅扰环境和用户不断改变的事务需求。因为这种MIMO办法中链路两头设备是相互独立的,因而即便在不同品种网络或正在晋级改变中的网络(不是一切基站和客户设备都装备有多幅天线的网络)条件下也能供给优异的功用。单天线终端能够运用SIMO(发送中)或MISO(接纳中)信道简略地参加这样的网格,并与多天线终端一同作业。这种搅扰最小化MIMO技能所带来的整体网络功用将跟着体系中多天线设备的增多而日益增强。

  本文小结

  MIMO技能供给的功用增益为推进无线通讯的下一步开展供给了极具远景的动力。为WiFi商场和广域网供给功用增强的MIMO设备不久就会上市。但是,广域移动无线体系中的射频环境与WiFi彻底不同,搅扰是最大的应战。走运的是,现在已经有了根据自习惯天线处理技能的广域网MIMO处理计划,能够在单天线体系中供给巨大的功用增益。这些处理计划经过多幅天线和信道内部固有的空间维数能够彻底满意搅扰和吞吐量要求。并且大部分增益功用能够在不修正协议的条件下完结,信任在不远的将来这些处理计划很快会得到广泛运用。因而,广域MIMO运用或许要比幻想的更简略完结。

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