1、1WiMAX 技术的多天线技术摘要：WiMAX（全球互通微波接入）技术是以 IEEE 802.16系列标准为基础的宽带无线接入技术，可以在固定和移动的环境中提供高速的数据、语音和视频等业务，兼具了移动、宽带和 IP化的特点，近年来发展迅速，逐渐成为宽带无线接入领域的发展热点之一。 关键词：多天线 接收机 增益 自适应 作为解决最后一公里的最佳接入方式的无线宽带接入技术，WiMAX 必须采用多天线技术来提高自身的竞争力。 1、多天线技术的优势 随着无线通信技术的快速发展，频谱资源的严重不足已经日益成为无线通信事业发展的“瓶颈” 。如何充分开发利用有限的频谱资源，提高频谱利用率，是当前通信界研究的
2、热点课题之一。 多天线技术因其能在不增加带宽的情况下提高传输效率和频谱利用率而获得广泛的青睐。多天线技术相比单天线技术具有如下优势： 1.1 阵列增益 使用多天线后增加了信号的相干性，从而获得阵列增益。 1.2 分集增益 提高了分集增益。分集增益是通过利用多径来获得的，当某一条路径性能变坏时不会影响系统的性能。在无线衰落信道里，可以增加接收信号强度的稳定性从而提高传输信息的可靠性。分集增益可以在空间2（天线） 、时域（时间）和频域（频率）3 个维度上获得。 1.3 共信道干扰消除 消除了共信道干扰。使用多天线后通过分析干扰的不同信道响应，消除共信道的干扰信号。 2、多天线技术在 WiMAX系统
3、中的应用 2.1 自适应天线系统 AAS 可以实现系统参数自动调整，获得信噪比（SNR）增益，减少同频干扰。自适应天线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准期望信号到达方向，同时对干扰形成零陷，抑制干扰，实现期望信号的最佳接收。 在 WiMAX系统中 AAS的设计和应用都是基于时分复用（TDD）模式。因为在 TDD模式下，上行和下行共用相同的频带资源，可以利用上（下）行信道的信息得到下（上）行信道的信息，在基站（终端）可以利用上下行信道的互惠性比较方便地计算波束形成的权值。而在频分复用（FDD）模式下，上行和下行的信道一般是不同的，难以通过上（下）行的信息获得下（上）行信道信
4、息。要想计算波束形成的权值，只有通过反馈，这将增大整个系统的开销。 在 WiMAX体系中，AAS 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用 AAS技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。AAS 在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式。 2.2 多输入多输出技术 MIMO 技术利用在基站和终端使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅3度地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。根据收发天线的数量，MIMO还可以包括单输入多输出（SIMO）和多输入单输出（MISO） 。 MIMO 技术的核心是空时信号处理，也就是利用在空间中分布的多个天线将
5、时间域和空间域结合起来进行信号处理。因此，MIMO 技术可以看作是智能天线的扩展。广义的 MIMO技术包括发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号（信号的具体形式不一定完全相同） ，达到空间分集的效果，从而提高信道的可靠性，降低误码率。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。WiMAX 协议中同时使用空时编码和空间复用的形式，可以显著地提高系统的容量和频谱利用率。 目前 MIMO已经成为了 IEEE 802.16中多天线的一个选项，并且在IEEE802.16e中也得到了体现。80
6、2.16 协议支持的 MIMO模式分为 3种：空时发射分集模式、空间复用模式和分集与复用相结合模式。 2.2.1 空时发射分集 发射分集最大的优点在于可以在基站端使用多天线，可以避免在接收端使用多天线对终端设备造成的压力，从而减少 802.16市场化时带来的阻碍。 在 MIMO中，空时发射分集模式主要通过空时编码来实现。空时编码的主要思想是利用空间和时间上的编码实现一定的空间分集和时间分集，从而降低信道误码率。使用空时码时，在发端不知道信道状态信息的情况下，系统仍能实现最大分集增益。常见的空时码有空时分组码4（STBC）和空时格码 （STTC） ，其中 STBC因其相对简单的编译码过程而获得了
7、广泛的应用。 802.16d 标准中采用两根发射天线的发射分集，以对抗阻挡视距和非直视距造成的深衰落，主要依据的就是 Alamouti方案的空时码 （STC）编码，该方案的关键特性是两根发射天线的两个序列之间的正交性。 2.2.2 空间复用 空间复用技术是指在发射端发射相互独立的信号，接收端采用干扰抑制的方法进行解码，主要是为了提高系统的传输速率。目前利用空分复用的方法来提高信道容量的方法主要是各种分层空时码（如 BLAST） 。贝尔实验室分层空时算法（BLAST）结构不是通过信号变换（编码、调制、映射等）引入符号间的正交性，而是充分利用了信道的多径特点，解除了信号之间的相关性。 BLAST
8、结构主要分为垂直-贝尔实验室分层空时算法（V-BLAST）和对角线-贝尔实验室分层空时算法（D-BLAST）：V-BLAST 将 M个比特流编码、映射和交织后通过互相独立的天线发射出去，充分发掘了分集增益，而且每一个信息流可以单独检测。D-BLAST 也先经过相同的处理，但是各编码块分配给不同的天线发送，从而减小了因某一个独立信道传输效果较差而导致的系统整体性能的下降，但意味着更加复杂的收发设备。 BLAST 结构最大程度上发掘了频谱效率，但是一般需要接收天线数目大于或等于传输天线数目，而这一点在下行链路难以实现；另外因为使用不同的链路传输独立的信号，那么如果一条链路被损坏，那么将面对不可挽回
9、的错误。 52.2.3 分集与复用相结合 空时发射分集能获得额外的分集增益和编码增益，但不能提高数据速率；空间复用虽然能最大化 MIMO系统的平均发射速率，但只能获得有限的分集增益。将空时发射分集和空间复用相结合的方案既能提供分集增益又可以提高系统容量，从而得到高频谱效率和传输质量的良好折衷，但是处理起来比单独使用分集或复用要复杂一些。 2.2.4 智能 MIMO 移动 WiMAX还支持各种 MIMO模式之间的自适应 MIMO转换（AMS） ，这也叫做智能 MIMO。如图 1所示。智能 MIMO根据信道条件，选择合适的MIMO模式，在不降低覆盖范围的情况下提高频谱利用率。采用智能 MIMO方式
10、，可以克服不同场景带来的不确定性，使 MIMO技术具有更广泛的应用场景。如对于同网络下的不同终端，其天线数目可能是不同的，因而若在同一小区采用相同的 MIMO传输方法，难以达到优化设计目标。此外，用户经历的衰落也是不一样的，自适应选择不同 MIMO技术以适应信道变化，可以优化系统性能。为支持自适应 MIMO模式选择，发射端需要得到更多的包括信道或权重的反馈信息。 对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高服务质量（QoS）是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于单输入单输出（SISO）系统，如果要满足上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移动终端的特性都制约着 SISO系统的发展，所以 MIMO是未来移动通信的关键技术。MIMO 技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在 WiMAX6中都得到了应用。WiMAX 还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式，支持 MIMO是协议中的一种可选方案。 3、结束语 随着多媒体业务不断地推陈出新，无线接入技术正呈现高带宽和 IP化的趋势，游牧和移动宽带接入将成为未来通信市场化的重要需求。WiMAX是为这一需求专门发展的宽带无线接入技术，性能优，效率高，成本低，通过灵活的体制配置可以满足各种应用场景的要求。
