多天线技术简介

通俗地讲，多天线系统就是收发双方都采用多根天线进行收发。通过适当的发射信号形式和接收机设计，多天线技术可以在不显著增加无线通信系统成本的同时，提高系统容量。从技术上讲，采用多天线技术后，可获得下列增益：

功率增益（Power Gain）。采用多天线发射时，由于有n个发射通道，发射的总功率相当于单天线发射的n倍，因此可以获得10log（n）dB的功率增益。虽然在单天线发射时也可以增加发射功率，但对功放的要求将提高，实现难度增大，从而成本也会相应增加。

阵列增益（Array Gain）。阵列增益是指在发射总功率相同的前提下，对接收端平均信噪比的改善量。通过对信号的相干合并，各种多天线系统都可以获得阵列增益。也就是说，采用多天线技术后，可提高接收信噪比。

空间分集增益（Space Diversity Gain）。由于无线信道的衰落特性，单天线系统的信号可能存在深衰落。采用多天线技术后，通常各天线间隔足够远，可保证不同天线的信号衰落相对独立。因此，合并后的接收信号的信噪比波动将变得平稳，从而改善了接收信号质量，这就是空间分集增益。

干扰抑制增益（Cochannel Interference Reduction Gain）。在蜂窝移动通信系统中，由于存在频率复用，因此小区间干扰不可忽视。与白噪声不同，干扰信号为有色噪声，可在接收端通过适当的多天线空域加权，合并期望信号的同时，抑制干扰信号，从而获得对接收端平均信干噪比的改善，这就是干扰抑制增益。

空间复用增益（Spatial Multiplexing Gain）。空间复用增益是指在相同发射功率和相同带宽的前提下，对数据吞吐量/传输速率的改善。空间复用增益可通过在相同的时频资源上传送多个并行的数据流获得，而这些复用的数据流通过不同的天线来区分。


WiMAX 16e中的多天线技术

WiMAX 16e系统采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分复用多路接入）技术，除了能够对抗多径衰落外，OFDM体制的另一大优点是可以和MIMO（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）技术方便地融合。WiMAX 16e系统支持如下多种多天线技术：

• 下行开环MIMO
  
  WiMAX 16e协议定义了三种采用空时编码的开环MIMO发射矩阵，分别为Matrix A、Matrix B和Matrix C。Matrix A采用发射分集结构，可获得分集增益；Matrix B采用空间复用结构，可获得复用增益；Matrix C采用分集与复用的混合结构，可以同时获得复用增益和分集增益。
  
  对下行公共信道，协议规定不能采用空时编码，此时可采用CDD（Cyclic Delay Diversity，循环时延分集）获得分集增益。CDD技术通过在不同的天线上发射同一数据流的不同延迟副本，以获得多径分集效果，从而提升公共信道的覆盖。另外，对数据信道还可以采用CDD与Matrix A或Matrix B的结合，进一步提高分集性能或分集加复用性能。
• 下行波束赋形（Beamforming）
  
  Beamforming是发射端对数据先加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，从而提高目标用户的解调信噪比，这对改善小区边缘用户吞吐率特别有效。Beamforming可以获得阵列增益、分集增益和复用增益。Beamforming通常有两大类实现方式：MIMO Beamforming和DOA Beamforming。
  
  MIMO Beamforming（简称MIMO-BF）技术。利用信道信息对发射数据进行加权，形成波束的一种波束赋形方法。MIMO-BF技术又可分为开环和闭环两种模式。
  
  开环Beamforming技术利用上行信道信息，对发射信号进行加权，不需要接收端反馈信道信息给发射端，发射端通过上行信道自行估计得到。开环 Beamforming技术对覆盖和吞吐量的提升都有比较明显的效果。但是，由于需要利用上行信号估计下行发送权值，处理时延大，因此适用于低速场景。另外，开环Beamforming技术利用了上下行信道的互易特性，故系统实现时需要对各个收发通路进行校正。
  
  闭环Beamforming技术需要终端反馈信道信息如码本（Codebook）给发射端，利用反馈信息对发射信号进行加权。同样由于受反馈时延的影响，闭环Beamforming技术也只在低速场景有较好的性能。另外，由于受反馈精度的影响，闭环Beamforming技术总体上比开环的性能要略差，但系统实现相对简单，不需要对天线收发通道进行校正。根据业界情况，目前TDD系统只使用开环Beamforming技术，而闭环Beamforming技术则应用于FDD系统。
  
  DOA Beamforming（简称DOA-BF）技术。通过估计信号的到达角（DOA：Direction of Arrinal），利用DOA信息生成发射权值，使发射波束主瓣对准最佳路径方向的一种波束赋形方法。与MIMO-BF相比，DOA-BF有以下特点：
  
  1）DOA-BF技术要求天线阵列间距小（通常小于一个载波波长），在多径丰富的场合分集效果比较差，在非直视径（NLOS：Non Line of Sight）场合，由于DOA估计不准也会使性能下降。因此，DOA-BF技术对密集城区使用效果不是很理想，而对农村和郊区等场合比较有效。但从业务发展的角度考虑，农村和郊区的业务量需求通常不高，采用DOA-BF实现的代价又比较高，因此实用意义不大。
  
  而MIMO-BF技术通常由于天线间距都比较大，搜集多径的能力比较强，特别适合在话务量高的密集城区使用，以提升系统容量，有效降低高话务区域的建网成本或扩容成本。
  
  2）DOA-BF技术对天线阵元的一致性要求比较高。因此，系统实现时不仅需要进行收发通道校正，还需要进行天线校正，而校正不理想时会使系统性能下降，故DOA-BF系统实现复杂度比较高。
  
  目前，DOA-BF技术成功应用的案例不多，业界普遍看好MIMO-BF技术，华为是领先的实现MIMO-BF技术的设备提供商之一。
• 下行MIMO+BF
  
  由于Beamforming技术在同一时刻只发射一个数据流，没有复用增益，为了进一步提高吞吐量，还可将Beamforming技术与空时编码结合起来，构成Beamforming+Matrix A或Beamforming+Matrix B的发射结构，统称为MIMO+BF。MIMO+BF可以大幅提高系统吞吐量。
• 上行多天线接收分集
  
  上行接收分集是最常用的多天线技术，在基站侧对多根天线接收到的信号进行相干合并，从而获得阵列增益。
• 上行CSM（Collaborate Spatial Multiplex）
  
  上行CSM技术是指将两个单发射天线的终端调度在相同的时频资源上，通过复用来提升上行的容量。选择协作终端时，要保证用户之间的正交性，对调度算法有较高的要求。
  
  以上各种多天线技术各有其优缺点，对不同的场合技术性能也有比较大的差异。因此，在实际系统选择使用多天线技术时，需要综合考虑各种因素，并且要求实现各种MIMO技术的自适应切换，以适应不断变化的无线环境，达到最高的吞吐量或尽可能大的覆盖。

性能优势

提升系统容量

华为和WiMAX论坛的仿真结果表明，采用多天线技术可大幅提升系统容量。仅采用双天线开环MIMO 2×2 Matrix A和B的自适应切换与1×2相比，下行方向频谱效率提升约55-60%，上行方向频谱效率提升约35%。

如果采用Beamforming或者Beamforming与MIMO结合的方式，系统容量还将大幅提升。与开环2×2 MIMO相比，4×2 MIMO-BF在下行方向的频谱效率提升约10%左右，而4×2 MIMO+BF在下行方向的频谱效率提升约60%。可见，MIMO和Beamforming结合的性能增益是显著的。

上行方向采用多天线对容量的提升也是比较显著的：与1×2相比，1×4配置的上行分集接收，约有30%的性能增益，但如果上行采用了CSM复用，频谱效率将提升到50%以上。

从以上数据可见，多天线技术可显著提升频谱效率，是解决系统容量问题的行之有效的手段。峰值速率的提高将大大提升用户体验，为更丰富的业务运营创造了条件，从而为运营商建立盈利的商业模式创造了条件，也为整个WiMAX产业的持续发展创造了条件。

改善网络覆盖

WiMAX系统的覆盖通常是上行受限，而上行采用多天线接收可显著改善覆盖。采用2天线分集接收，上行覆盖将改善3dB以上（与单天线接收相比），而采用4天线分集接收，还可进一步改善1-2dB。下行方向采用Beamforming技术后，将波束能量对准目标用户，对改善小区边缘用户的吞吐率有显著效果。

由此可见，多天线技术的应用能显著改善网络的覆盖，大大减少基站数目。


降低建设和维护成本

根据前文分析可知，采用多天线技术后系统容量显著增加，初期建网时不需要使用多个载频进行铺设，有效降低设备的采购成本。同时，天线配置灵活，可以满足不同区域的建网需求。在CBD等话务量比较大的密集城区，可采用4T4R的配置满足容量需求；而在郊区、农村等以满足覆盖要求为主的场合，则可采用 2T4R的配置满足覆盖要求。多天线系统优良的覆盖性能将使站址数大大减少，特别是对于没有移动牌照的固网运营商来说，不仅减少了设备的采购成本，而且大大降低了站址租赁和建设成本。

多天线系统虽然增加了天线数，但对天线的要求却没有明显提高。可采用2副双极化天线一体化封装，在天面上只需要一个天线安装位即可满足要求，部署和维护都比较简单，进一步降低了网络的维护成本。

综上所述，优良的多天线技术将大幅提升频谱效率，降低每比特成本，有效提升用户体验，还可以提高覆盖，改善小区边缘用户的吞吐率，减少基站数目，降低建网及维护成本。因此，对于WiMAX等新一代无线通信系统，多天线技术的性能是决定WiMAX产品核心竞争力的重要因素之一。


技术铸就品质

从1999年起，华为就已开始了多天线技术的研究和探索。截至2007年底，华为在多天线技术领域共获得100多项核心专利。在WiMAX基站方面，目前已支持各种开环MIMO、上行4天线接收分集、上行CSM、下行4天线MIMO Beamforming等全套多天线解决方案，并处于业界领先水平。华为能够提供满足各种组网需求的系列化站型，包括宏基站、微基站、射频拉远分布式基站、Pico等，天线配置支持2T2R、2T4R和4T4R等种模式，以适应不同的应用场景，力求以尽可能低的成本实现灵活组网。华为将通过全套性能稳定的多天线产品和解决方案，为全球运营商提供低成本、高品质的服务。