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MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多輸入多輸出）技術是下一代通信技術的一個重要突破，本文依據華為的系統仿真研究結果和外場實際測試結果，從網絡覆蓋增強、系統容量提升和降低建網成本等角度，對MIMO技術在移動WiMAX系統中的應用進行探索和分析。 近年來，全球基于傳統線纜技術的寬帶用戶快速增長，3G移動用戶數也在穩步增長。市場對于移動寬帶的需求正在快速增加，這為無線寬帶接入技術提供了巨大的市場空間。 WiMAX802.16e正越來越多地被運營商采用為首選的固定和移動寬帶接入策略，為終端用戶提供豐富的高寬帶多媒體業務。這些策略對運營商的無線網絡提出了極大的挑戰。為了建立和維持贏利的商業模式，需要對網絡容量、用戶吞吐量、網絡覆蓋質量作較大的改進。MIMO多天線技術的應用，使802.16e能夠應對這些挑戰，從而有力推動WiMAX網絡的發展。 MIMO是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，信號通過發射端和接收端的多個天線傳送和接收，從而改善每個用戶的服務質量。MIMO技術對于傳統的單天線系統來說，能夠大大提高頻譜利用率，使得系統能在有限的無線頻帶下傳輸更高速率的數據業務。N根發射天線和M根接收天線的MIMO系統框圖如下圖所示。 
WiMAX802.16e定義了三種可選的MIMO方式，分別是STTD（SpacetimeTransmit Diversity , 空時發射分集）、SM（Spatial Multiplexing, 空分復用）和自適應切換方式，同時定義了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3種編碼矩陣。華為公司WiMAX 802.16e系統目前已全面支持Matrix A，并將在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。 WiMAX802.16e系統中，MIMO技術與OFDMA技術結合使用，可以大幅提高網絡覆蓋能力，使WiMAX系統容量倍增，從而大幅降低網絡建設成本和維護成本，有力推動了移動WiMAX發展。 與OFDMA完美結合 MIMO可以應用于所有的無線通信技術。在WiMAX802.16e系統中，MIMO和OFDMA（OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交頻分復用接入) 的完美結合，更能體現出MIMO的技術優勢。 MIMO系統可以抗多徑衰落，但對于頻率選擇性衰落，MIMO仍然無能為力，其他通信系統一般采用均衡技術來解決MIMO系統中的頻率選擇性衰落。WiMAX的OFDMA技術可以很好地克服頻率選擇性衰落。下一代移動通信需要高的頻譜利用率技術，但OFDMA提高頻譜利用率的能力畢竟有限。結合MIMO技術，可以在不增加系統帶寬的情況下進一步提高頻譜效率。MIMO+ OFDMA技術既可以提供更高的數據傳輸速率，又可以通過分集達到很強的可靠性和增強系統的穩定性。另外，OFDMA由于碼率低和加入了時間保護間隔而具有很強的抗多徑干擾能力，多徑時延小于保護間隔使系統不受碼間干擾的影響，這樣就可以使單頻網絡使用寬帶OFDMA系統依靠MIMO技術消除陰影效應，真正實現網絡的無縫覆蓋。 大幅提高網絡覆蓋能力 WiMAX802.16e由于采用較高的工作頻段，傳播損耗比其他移動通信系統高，如何擴展網絡覆蓋能力也是WiMAX面臨的挑戰之一。MIMO技術在 WiMAX系統的應用，可以大幅度提高網絡覆蓋能力。MIMO在分集模式下，通過分集增益增加小區覆蓋半徑；在復用模式下，通過提升小區邊緣速率獲得的分集增益來提升小區覆蓋半徑；在自適應切換模式下，小區邊緣工作在分集模式下，覆蓋增益與僅分集模式相同。通過華為公司的系統仿真結果表明，在分集或自適應切換模式下，2T2R（2Transmit2 Receive，兩路發射兩路接收）MIMO相比SISO（Single Input Single Output，單輸入單輸出）有2～10dB的覆蓋增益，覆蓋半徑增加50％～90％；僅復用模式下，在小區邊緣可以間接獲得3～5dB的覆蓋增益。另外 MIMO還可以有效提高小區邊緣覆蓋概率。 2007年8月，在日本東京，華為與當地運營商J:COM一起對MIMO的實際使用效果進行了測試。測試結果表明，采用MIMOMatrixA技術可以有效提高WiMAX802.16e系統的覆蓋半徑，可以大幅減少網絡建設所需要的基站數目。 使系統容量倍增 WiMAX802.16e系統可提供極高的數據吞吐量和移動性，讓用戶能夠隨時在線，即使處于移動狀態也能獲得真正的寬帶體驗。MIMO技術在復用模式下，可以成倍提高系統吞吐量和頻譜效率，并可以成 倍提高單用戶峰值速率；在分集模式下，通過增加高階調制方式的比例來提高系統吞吐量和頻譜效率；在自適應切換模式下，小區中心工作在復用模式，小區邊緣工作在分集模式，因此系統吞吐量和頻譜效率增強效果介于兩者之間。OFDMA和MIMO技術的應用，使 WiMAX802.16e系統能夠最大程度地提高頻譜效率，提供高品質移動視頻和電視業務所需的高速度和高帶寬。 華為公司的系統仿真結果表明，采用MIMO2×2MatrixB技術后，可以提升WiMAX 16e系統吞吐量約30％～60％，同時可以成倍提高用戶的峰值速率，保證WiMAX用戶獲得更好的業務體驗。 大幅降低網絡建網和維護成本 在密集城區和CBD區域，高端用戶多，對系統吞吐量和峰值速率要求高，容易出現容量受限的情況。采用MIMOMatrixB技術后，WiMAX系統下行容量提升55％，上行容量提升33％；在容量受限場景，基站數目將減少25％左右。相比其他多天線技術如AAS（Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System，自適應天線系統，也稱作先進天線系統）,MIMO在密集城區的容量增益優勢更為明顯，可以有效降低高話務區域的建網成本或擴容成本。 對于覆蓋受限場景，采用MIMO技術可以增加50％以上的覆蓋半徑，使單站點覆蓋面積增加近100％，在一定覆蓋面積下可節省40％～60％的基站數目。在郊區和農村區域引入MIMO，可實現最少基站的最大覆蓋，大幅降低初始建網成本。 另外，在安裝和維護方面，AAS天線最少為4波束天線，需要較高的天線安裝空間；AAS天線相比傳統天線，所需饋線大大增加，增加工程量，同時鐵塔走線架的寬度也得加寬；AAS采用的天線重量大，對安裝承載能力要求提高；另外AAS天線體積較大，防風能力差，抗風阻性要求高，不適合在風力大或者是臺風多發區域使用。MIMO相比AAS，需要的天線數目少，一根普通的±45度雙極化的天線就可以支持2×2MIMO，對天線安裝空間和承重要求低，容易部署、維護，可有效節省天線安裝成本和維護成本。 結束語 隨著寬帶數據用戶和移動通信用戶的迅速發展，以及從窄帶語音通信向寬帶高速數據通信發展的趨勢，如何在一定的頻譜資源上提高網絡容量，如何在一定的站點數目下提升網絡覆蓋性能，成為將來通信網絡建設中需要重點考慮的問題。WiMAX802.16e系統引入MIMO多天線技術，并與OFDMA進行完美結合，通過增強系統在空間上的分辨能力，提高頻譜利用率并提升網絡的容量和覆蓋性能，從而降低網絡建設成本和維護成本，使WiMAX802.16e逐漸成為最有競爭力的無線寬帶接入技術。 |
