MIMO技术在移动WiMAX中的应用

MIMO(MultipleInputMultipleOutput，多输入多输出)技术是下一代通信技术的一个重要突破，本文依据华为的系统仿真研究结果和外场实际测试结果，从网络覆盖增强、系统容量提升和降低建网成本等角度，对MIMO技术在移动WiMAX系统中的应用进行探索和分析。

近年来，全球基于传统线缆技术的宽带用户快速增长，3G移动用户数也在稳步增长。市场对于移动宽带的需求正在快速增加，这为无线宽带接入技术提供了巨大的市场空间。

WiMAX802.16e正越来越多地被运营商采用为首选的固定和移动宽带接入策略，为终端用户提供丰富的高宽带多媒体业务。这些策略对运营商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式，需要对网络容量、用户吞吐量、网络覆盖质量作较大的改进。MIMO多天线技术的应用，使802.16e能够应对这些挑战，从而有力推动WiMAX网络的发展。

MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，信号通过发射端和接收端的多个天线传送和接收，从而改善每个用户的服务质量。MIMO技术对于传统的单天线系统来说，能够大大提高频谱利用率，使得系统能在有限的无线频带下传输更高速率的数据业务。N根发射天线和M根接收天线的MIMO系统框图如下图所示。

N根发射和M根接收MIMO的系统示意图

WiMAX802.16e定义了三种可选的MIMO方式，分别是STTD(SpacetimeTransmit Diversity , 空时发射分集)、SM(Spatial Multiplexing, 空分复用)和自适应切换方式，同时定义了Matrix A、Matrix B和Matrix C 3种编码矩阵。华为公司WiMAX 802.16e系统目前已全面支持Matrix A，并将在2008年9月支持MIMO Matrix B和MIMO Matrix C。

WiMAX802.16e系统中，MIMO技术与OFDMA技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使WiMAX系统容量倍增，从而大幅降低网络建设成本和维护成本，有力推动了移动WiMAX发展。

与OFDMA完美结合

MIMO可以应用于所有的无线通信技术。在WiMAX802.16e系统中，MIMO和OFDMA(OrthogonalFrequency Division Multiple Access，正交频分复用接入) 的完美结合，更能体现出MIMO的技术优势。

MIMO系统可以抗多径衰落，但对于频率选择性衰落，MIMO仍然无能为力，其他通信系统一般采用均衡技术来解决MIMO系统中的频率选择性衰落。WiMAX的OFDMA技术可以很好地克服频率选择性衰落。下一代移动通信需要高的频谱利用率技术，但OFDMA提高频谱利用率的能力毕竟有限。结合MIMO技术，可以在不增加系统带宽的情况下进一步提高频谱效率。MIMO+ OFDMA技术既可以提供更高的数据传输速率，又可以通过分集达到很强的可靠性和增强系统的稳定性。另外，OFDMA由于码率低和加入了时间保护间隔而具有很强的抗多径干扰能力，多径时延小于保护间隔使系统不受码间干扰的影响，这样就可以使单频网络使用宽带OFDMA系统依靠MIMO技术消除阴影效应，真正实现网络的无缝覆盖。

大幅提高网络覆盖能力

WiMAX802.16e由于采用较高的工作频段，传播损耗比其他移动通信系统高，如何扩展网络覆盖能力也是WiMAX面临的挑战之一。MIMO技术在 WiMAX系统的应用，可以大幅度提高网络覆盖能力。MIMO在分集模式下，通过分集增益增加小区覆盖半径;在复用模式下，通过提升小区边缘速率获得的分集增益来提升小区覆盖半径;在自适应切换模式下，小区边缘工作在分集模式下，覆盖增益与仅分集模式相同。通过华为公司的系统仿真结果表明，在分集或自适应切换模式下，2T2R(2Transmit2 Receive，两路发射两路接收)MIMO相比SISO(Single Input Single Output，单输入单输出)有2～10dB的覆盖增益，覆盖半径增加50%～90%;仅复用模式下，在小区边缘可以间接获得3～5dB的覆盖增益。另外 MIMO还可以有效提高小区边缘覆盖概率。

2007年8月，在日本东京，华为与当地运营商J:COM一起对MIMO的实际使用效果进行了测试。测试结果表明，采用MIMOMatrixA技术可以有效提高WiMAX802.16e系统的覆盖半径，可以大幅减少网络建设所需要的基站数目。

使系统容量倍增

WiMAX802.16e系统可提供极高的数据吞吐量和移动性，让用户能够随时在线，即使处于移动状态也能获得真正的宽带体验。MIMO技术在复用模式下，可以成倍提高系统吞吐量和频谱效率，并可以成 倍提高单用户峰值速率;在分集模式下，通过增加高阶调制方式的比例来提高系统吞吐量和频谱效率;在自适应切换模式下，小区中心工作在复用模式，小区边缘工作在分集模式，因此系统吞吐量和频谱效率增强效果介于两者之间。OFDMA和MIMO技术的应用，使 WiMAX802.16e系统能够最大程度地提高频谱效率，提供高品质移动视频和电视业务所需的高速度和高带宽。

华为公司的系统仿真结果表明，采用MIMO2×2MatrixB技术后，可以提升WiMAX 16e系统吞吐量约30%～60%，同时可以成倍提高用户的峰值速率，保证WiMAX用户获得更好的业务体验。

大幅降低网络建网和维护成本

在密集城区和CBD区域，高端用户多，对系统吞吐量和峰值速率要求高，容易出现容量受限的情况。采用MIMOMatrixB技术后，WiMAX系统下行容量提升55%，上行容量提升33%;在容量受限场景，基站数目将减少25%左右。相比其他多天线技术如AAS(Adaptive Antenna System also Advanced Antenna System，自适应天线系统，也称作先进天线系统),MIMO在密集城区

的容量增益优势更为明显，可以有效降低高话务区域的建网成本或扩容成本。

对于覆盖受限场景，采用MIMO技术可以增加50%以上的覆盖半径，使单站点覆盖面积增加近100%，在一定覆盖面积下可节省40%～60%的基站数目。在郊区和农村区域引入MIMO，可实现最少基站的最大覆盖，大幅降低初始建网成本。

另外，在安装和维护方面，AAS天线最少为4波束天线，需要较高的天线安装空间;AAS天线相比传统天线，所需馈线大大增加，增加工程量，同时铁塔走线架的宽度也得加宽;AAS采用的天线重量大，对安装承载能力要求提高;另外AAS天线体积较大，防风能力差，抗风阻性要求高，不适合在风力大或者是台风多发区域使用。MIMO相比AAS，需要的天线数目少，一根普通的±45度双极化的天线就可以支持2×2MIMO，对天线安装空间和承重要求低，容易部署、维护，可有效节省天线安装成本和维护成本。

结束语

随着宽带数据用户和移动通信用户的迅速发展，以及从窄带语音通信向宽带高速数据通信发展的趋势，如何在一定的频谱资源上提高网络容量，如何在一定的站点数目下提升网络覆盖性能，成为将来通信网络建设中需要重点考虑的问题。WiMAX802.16e系统引入MIMO多天线技术，并与OFDMA进行完美结合，通过增强系统在空间上的分辨能力，提高频谱利用率并提升网络的容量和覆盖性能，从而降低网络建设成本和维护成本，使WiMAX802.16e逐渐成为最有竞争力的无线宽带接入技术。