智能天线技术MIMO广域无线网络应用分析

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

　　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。

　　
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。

　　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。