ay: block;">目前,無線運營商正在將重點轉向數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務,并以此作為收入增長點。由于選用這些業(yè)務的用戶經(jīng)濟能力有很大的差別,因此迫切需要改善無線設備性能,實現(xiàn)實質性的差異化(見圖1)。不幸的是,除了空間尺寸外,近年來無線領域中并沒有開發(fā)出太多新的性能改進技術。而多天線信號處理(MAS)軟件可以更好地用來控制無線能量的空間分布,并被證明可以將性能提高幾個數(shù)量級。因此MAS現(xiàn)在已經(jīng)成為下一代無線網(wǎng)絡的重要組成部分。
在去年早些時候的電子工程專輯中我們已經(jīng)對MAS技術做了簡要介紹(包括眾所周知的智能天線、空間時間處理或MIMO),當時重點討論了源于Wi-Fi的MIMO技術應用于廣域系統(tǒng)時需要考慮的問題。本文將詳細介紹不同MAS架構的基本功能以及WiMAX環(huán)境下MIMO的實現(xiàn)。
多天線信號處理的本質
所有MAS架構都遵從相同的基本原理:在通信鏈路的一端或兩端(也就是基站和/或用戶設備)有兩幅以上的天線,它們需要對這些天線的接收和/或發(fā)射信號執(zhí)行某種程度的協(xié)同處理。因此,關鍵設計選擇和需要考慮的變化因素包括:
1. 基站中無線收發(fā)鏈路的數(shù)量；
2. 用戶設備上無線收發(fā)鏈路的數(shù)量；
3. 目標利益(表1中哪些是追求的目標？)；
4. 在業(yè)務信道、鏈路的某個方向和某個端點(上行和/或下行、發(fā)送和/或接收)上所采用的MAS算法種類；
5. 控制信道處理的方法；
6. 物理層處理(實現(xiàn)MAS的地方)和媒體訪問層(調度)之間的協(xié)作程度和特征；
7. 發(fā)送校準的方法。
采用MAS技術的網(wǎng)絡系統(tǒng)工程需要根據(jù)以下內容對這些基本架構做出最優(yōu)選擇:
1. 空中接口要適應或兼容MAS(并不是所有接口都能適用于MAS的實現(xiàn))。
2. 功能靈活性——蜂窩中的所有用戶是否都要受限于相同的處理模式、算法和天線數(shù)量,或者說系統(tǒng)能否采用多種方法來適用于不同的應用條件？
3. 應用本身的許多屬性,即所支持的網(wǎng)絡工作情況,包括網(wǎng)絡規(guī)模、負載、頻譜分配、業(yè)務定義、用戶行為(包括移動性)、成本和復雜性約束,特別是地點設定及客戶設備、綠色場地對升級部署的影響等。
措施和功效
所有MAS架構和處理方法都利用了以下四種增益和功能的一些組合:
空間分集 充分利用了固有信道差異的優(yōu)勢,這些差異存在于以空間或極化分隔的天線之間。空間分集只有在并非所有信道都同時處于深度衰落的條件下才有用,這種可能性與環(huán)境中的散射數(shù)量有很大的關系。空間分集鏈路預算增益一般在4~7dB量級。
相干(合成)處理 在理解無線信道特征(信道狀態(tài)信息)的基礎上,對送往或來自多個天線的信號進行加權,并在感興趣的無線空間方向創(chuàng)建最大的相干合成信號(或具有最高靈敏度)。這種方法可以額外降低一些被動干擾,因為更加集中的能量分布在一定程度上可以減少固有的同道干擾。這種合成多路信號來提高相干增益的方法稱作為“波束成形”,盡管者在事實上是最有效的方法,但在多徑和散射環(huán)境中工作時并不創(chuàng)建真正的“波束”。最大比例合成(MRC)或發(fā)射(MRT)就是這類例子。最終的合成增益是天線數(shù)量(通常為10log(n))和所用信道信息質量的函數(shù)。
圖1:針對所消耗的單位網(wǎng)絡容量,用戶表達為各類業(yè)務的消費意愿時,在語音、視頻和數(shù)據(jù)業(yè)務方面的意愿支出顯示出巨大差別
降低干擾技術 為了有效地向沒有能量的同道干擾信號的空間方向上發(fā)射信號以及接收該方向上的信號,需要在相干合成增益基準方向上增加增益。這也被稱作為“零點”或有源干擾對消(AIC)。AIC增益可能很大,實際上可以達到15~30dB。
空分復用(SM) 是這樣一種相干處理技術,可以在無線和物理空間中兩個不同的地點同時解析兩個或多個從相同無線發(fā)射源(或信道)發(fā)出的不同信息流。這些信息流可以在單個接收端點(基站或客戶設備)處合成,從而可以增加單條鏈路的數(shù)據(jù)速率——采用MIMO的WiMAX MatrixB模式就是很好的一個例子；它們也可以在不同端點(如不同的客戶設備)上進行分解,并通過更高的頻譜復用增加系統(tǒng)容量,這時也稱為空分多址,或SDMA。SM不直接影響鏈路預算,但它對整個頻譜效率或平均客戶數(shù)據(jù)率或兩者都有很大的影響(超過2倍),其影響程度取決于具體使用方法。
圖2:MAS算法可以根據(jù)信道知識、減小干擾和空分復用的綜合考慮來進行分組
圖2中進行了總體介紹,其中最常見的MAS算法都屬于信道知識、AIC和SM這種框架。需要注意的是,第一代基于較少信道知識(如到達角)的波束成形簡化方法沒有被包含在目前該領域的產品系列中,因為缺乏現(xiàn)實環(huán)境中的知識,已證明其性價比較差。
每種工具都最適合于一組特定的需求和用戶行為。舉例來說,對于最關注高數(shù)據(jù)速率的應用,一系列的系統(tǒng)資源應該用于空分復用這一列,因為這樣可以實現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)速率。對于具有很高移動性能的用戶來說,底部的一排是最有效的,因為它不需要依賴信道知識(目前當用戶時速超過100千米時就很難保持高質量接收)就能正常工作。
從針對移動WiMAX的MIMO性能表征得到的早期反饋
就像當初的報告指出的那樣,在當前的WiMAX領域人們對MIMO型移動WiMAX設備的性能仍持懷疑態(tài)度。由于至今還沒有移動WiMAX設備在多蜂窩、多用戶環(huán)境(即有實際負荷的網(wǎng)絡)中實現(xiàn)和測試過,性能表征還只是停留在鏈路和網(wǎng)絡級仿真。正如下面將要詳細解釋的那樣,建立這種仿真是一項非常復雜的任務,而采取簡化措施(如干擾平均)可能會在根本上產生錯誤結果。ArrayComm研究人員與合作伙伴英特爾、KT和其它公司一起,已經(jīng)在性能的鏈路和網(wǎng)絡級仿真方面做了兩年多的工作。我們的性能仿真方案中融合了在過去14年時間內積累的在現(xiàn)實環(huán)境中開發(fā)MAS所獲得的現(xiàn)場經(jīng)驗。這里我們將重點介紹最新的工作成果。
移動WiMAX規(guī)范中包含大量不同的處理模式和架構。限于篇幅本文不能詳細介紹每種模式的特征,但提供了選擇部署場合的總覽(更多細節(jié)將在電子工程專輯上的后續(xù)文章中陸續(xù)發(fā)表)。圖3顯示了其它情況都相同條件下關鍵的覆蓋范圍和容量大小比較。
圖3:基于目前為止的ArrayComm鏈路和網(wǎng)絡級仿真工作所得到的移動WiMAX架構的總體特征
這些架構的定義如表1所示。基本架構MAS性能和充分利用上述所有四種MAS增益設計的性能有本質的區(qū)別。
表1:不同WiMAX設計架構的具體定義描述
并非所有MAS方法都有效
過去15年來業(yè)界已經(jīng)嘗試了許多實現(xiàn)MAS概念的方法。一些早期嘗試包含了大型、昂貴和精確校準陣列天線,但最終效果都不是很好。一些嘗試還包含所謂的“appliqué”解決方案——售后增加的設備,由于與現(xiàn)有無線硬件的整合非常有限,而且算法簡單,因此性能也不是太好。
由于MAS軟件資源99%來自商用廣域部署技術的共享,ArrayComm公司基于14年的現(xiàn)場經(jīng)驗,能夠為MAS實現(xiàn)提供一些應用指導,并幫助業(yè)界建立良好的基礎。具體算法的技術討論不在本文討論范圍之內,下面給出一些總的原則:
工作要做得徹底 來自單天線的許多網(wǎng)絡或經(jīng)濟分析和性能仿真工具(如干擾平均)在應用到MAS技術時會產生錯誤結果。做到正確的MAS分析無疑更加復雜,但是很必要。
全面考慮 一開始就應該將MAS集成進客戶和基礎架構設計中,而不是到以后再增加MAS,這樣能夠以最小的邊際成本獲得最高的性能。圖4所示的架構說明了MAS是如何適用于普通的WiMAX客戶端設備和基站設備架構的。
圖4:目前用于WiMAX的MAS實現(xiàn)方框圖
考慮網(wǎng)絡性能而不僅是鏈路 正如上文總結的那樣,針對單條鏈路取得有用結果的MAS模式(如WiMAX中STCMIMO的基線形式)在多蜂窩多用戶環(huán)境中可能產生問題。因此針對滿負荷系統(tǒng)的網(wǎng)絡級分析是必需的。
使用多種方法 使用正確的工具。從一個市場到另一個市場,從這一段時間到另一段時間,運營商要求和用戶行為都在不斷地改變。不同的MAS架構在不同應用中有各自的優(yōu)缺點,并沒有一個“最佳”方法。因此最好在系統(tǒng)中包含所有的方法(這是可能的,因為這是軟件系統(tǒng)),讓環(huán)境條件來確定使用哪種方法。
預測所有方法的動態(tài)無縫使用 我們在PHS系統(tǒng)中(該應用選用八種不同的MAS算法,以逐個幀和逐個用戶為基礎來優(yōu)化性能)已經(jīng)證明MAS架構可以是非常動態(tài)的系統(tǒng)。有許多級無線系統(tǒng)控制(比如從單個單元到網(wǎng)絡級)可被集成進這類自組織優(yōu)化過程。
作者:Steven Glapa
市場副總裁
sglapa@
ArrayComm LLC公司
