WiMAX系统中两种多天线技术的原理和特点详述

802.16e协议中支持MIMO（多入多出）和AAS（自适应天线系统）两种不同的多天线实现方式。本文在介绍MIMO和AAS原理的基础上。分析了各自的特点和性能,并且进行了比较。

1、引言

802.16e协议中支持MIMO（mulTIple input mulTIple output，多入多出）和自适应天线系统（adapTIve antenna，system，AAS）两种不同的多天线实现方式。MIMO是一种可选技术，在上下行链路都可以选择支持，所支持的MIMO模式分为3种：空间分集（spaTIal diversity，SD）模式、空间复用（spatial multiplexing，SM）模式和分集与复用相结合的混合模式，即自适应MIMO（adaptive MIMO）。空间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；自适应MIMO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。

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，提高通信的可靠性等。AAS技术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。

下面详述两种多天线技术的原理和特点，并在此基础上对比两者的异同。

2、MIMO的原理与性能

MIMO也称为多发多收天线（multiple transmit multiple receive antenna，MTMRA）技术，是无线移动通信领域天线技术的重大突破，因为从理论上可以在不增加时间、频率资源的基础上成倍地提高系统容量和频谱效率。MIMO技术的概念非常简单，任何一个无线通信系统，只要其发射端和接收端均采用了多个天线，就构成了一个无线MIMO系统。根据收发两端天线数量，相对于普通的单入单出（single input single output，SISO）系统来讲，MIMO还可以包括单入多出（single input multiple output，SIMO）系统和多入单出（multiple input single output，MISO）系统。

MIMO有两种功能形式，即空间分集和空间复用。空间复用技术利用MIMO信道提供的空间复用增益，可以大大提高信道容量；空间分集利用MIMO信道提供的空间分集增益，则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。

综合天线架构（发射天线数×接收天线数）和功能形式，802.16e支持的MIMO技术如下。

●支持2天线、3天线、4天线的BS（基站）的下行发射分集。

●支持2天线的MS（移动台）的上行发射分集。

●支持2天线、3天线、4天线的BS空间复用的下行发射。

●支持2天线的MS空间复用的上行发射。

2.1　空间分集

无线信号在复杂的无线信道中传播会产生瑞利衰落，在不同空间位置上其衰落特性不同。如果两个天线的位置间距大于相关距离（通常相隔10个信号波长以上），就认为两处的信号完全不相关，那么，利用发射端或接收端多根天线所提供的多重传输途径，就可从多个独立的传输途径中选择或组合出衰落现象较轻微的接收信号，以维持稳定的链路质量，这样就可以实现信号空间分集，对抗衰落的影响。空间分集分为接收分集和发射分集两类。通常可以认为SIMO系统是接收分集，MISO系统是发射分集，需要说明的是，空间分集适于在多散射体的多径情况下应用，天线间距应适当拉开以保证发射、接收信号的相互独立性，形成独立传输途径，以充分利用多散射体造成的多径（也称之为充分多径），天线的摆设与多路径通道需满足一定条件（在多径传播环境中，增大阵元间距与角度扩展以及结合空时处理都有利于捕获、分离与合并多径）。

通常采用空间—时间编码实现空间分集。空间—时间编码可以用两种不同的方法设计。

（1）空间—时间格编码

空间—时间格编码（space time Trellis code，STTC）把编码调制、分集整体考虑，首先将待发送的信息比特流送入前向纠错的信道编码器（如图1所示），并将它映射在一定的信号星座图中，如QPSK、MPSK、MQAM等星座图。Trellis编码器根据输入的符号及编码器所处的状态，决定Trellis图中的一个分支作为编码器的输出。一个分支上的n个符号，分别送至n个发送天线的支路。这n个符号分别经过脉冲成形与调制器，再直接送至n个天线。STTC能够获得满分集增益和相当高的编码增益，但无法达到全速率传输，并且搜索符合设计准则的Trellis码非常复杂，译码的复杂度较高，在802.16e中尚未涉及。

（2）空间—时间块/分组编码