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射頻/無線  

採用MSA技術在WiMAX環境下實現MIMO

上網時間: 2007年01月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:多天線訊號處理  天線  基地台  分集  架構 

無線廠商正將重點轉向數據和多媒體服務,並將此作為收入成長點。由於選用這些服務的用戶經濟能力差異很大,因此迫切需要改善無線設備性能,實現實質性的差異化(見圖1)。不幸的是,除了空間尺寸外,近年來無線領域中並沒有開發出太多的新性能改進技術。而多天線訊號處理(MAS)軟體能更好地控制無線能量的空間分佈,並已證實可將性能提高幾個數量級。因此,MAS現已成為下一代無線網路的關鍵之一。本文將詳細介紹不同MAS架構的基本功能,以及如何在WiMAX環境下實現MIMO

所有MAS架構都遵從相同的基本原理:在通訊鏈路的一端或兩端(即基地台和/或用戶設備)有兩幅以上的天線,它們必須對這些天線的接收和/或發射訊號執行某種程度的協同處理。因此,關鍵設計選擇和必須考慮的變化因素包括:

1. 基地台中無線收發鏈路的數量;

2. 用戶設備上無線收發鏈路的數量;

3. 目標利益(表1中哪些是追求的目標?);

4. 在服務訊息通道、鏈路的某個方向和某個端點(上行和/或下行、傳送和/或接收)上所採用的MAS演算法種類;

5. 控制訊息通道處理的方法;

6. 實體層處理(實現MAS的地方)和媒體存取層(調度)之間的合作程度和特徵;

7. 傳送的校準方法。

採用MAS技術的網路系統工程師都必須根據以下內容對這些基本架構做出最佳選擇:

1. 空中介面要適應或相容MAS(並非所有介面都適用於MAS的實現)。

2. 功能靈活性─蜂巢式中的所有用戶是否都要受限於相同的處理模式、演算法和天線數量,或是系統能否採用多種方法來適用於不同的應用條件?

3. 應用本身的多種屬性,即所支援的網路工作情況,包括網路規模、負載、頻譜分配、服務定義、用戶行為(包括行動性)、成本和複雜性約束,特別是地點設定及客戶設備、場地對升級部署的影響等。


圖1:針對所消耗的單位網路容量,用戶表達為各類服務的消費意願時,在語音、視訊和數據服務方面的意願支出顯示出巨大差別

MAS帶來的優勢

所有MAS架構和處理方法都運用了以下四種增益和功能的組合:

空間分集 充分利用了固有訊息通道差異的優勢,這些差異存在於以空間或極化分隔的天線之間。空間分集只有在並非所有訊息通道都同時處於深度衰落的條件下才有用,這種可能性與環境中的散射數量有很大的關係。空間分集鏈路預算增益一般在4-7dB量級。

同調(Coherent)增益 或稱結合(Combining)增益。在瞭解無線訊息通道特徵(訊息通道狀態資訊)的基礎上,對欲傳送或是來自多個天線的訊號進行加權,並在感興趣的無線空間方向製作最大的同調結合訊號(或具有最高靈敏度)。這種方法可額外降低一些被動干擾,因為更加集中的能量分佈,能在一定程度上減少固有的通道干擾。這種用結合多工訊號來提高同調增益的方法稱為‘波束成形’,儘管事實上這是最有效的方法,但在多徑和散射環境中工作時並不會製作真正的‘波束’。最大比例結合(MRC)或發射(MRT)就是這類例子。最終的結合增益是天線數量(通常為10log(n))和所用訊息通道資訊品質的函數。

降低干擾技術 為了有效向沒有能量的通道干擾訊號之空間方向上發射訊號以及接收該方向上的訊號,必須在同調增益基準方向上增加增益。這也被稱作‘零點’或主動干擾對消(AIC)。AIC增益可能很大,實際上可達15~30dB。

空間多工(SM) 是一種同調處理技術,可在無線和實體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射源(或訊息通道)發出的不同資訊串流。這些資訊串流可以在單個接收端點(基地台或客戶設備)處合成,因而可以增加單條鏈路的數據速率─採用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,並透過更高的頻譜多工增加系統容量,這時也稱為空間分隔多重接取(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據率或兩者都有很大的影響(超過2倍),其影響程度取決於實際使用方法。

圖2展示了整體技術概覽,其中最常見的MAS演算法都屬於訊息通道基礎技術、AIC和SM框架。需注意的是,第一代基於較少訊息通道基礎技術(如到達角)的波束成形簡化方法並未被包含在目前應用於該領域的產品中。


圖2:MAS演算法可根據訊息通道基礎技術、減少干擾和空間分隔多重接取的整合考慮來進行分組

每種技術都適用於一組特定的需求和用戶行為。舉例來說,對於最關注高數據速率的應用,應對空間多工分配足夠的所需系統資源,以實現最高的數據速率。對於需要高行動性的用戶來說,圖2底部所示的一排是最有效的,因為它不需要依賴訊息通道技術就能正常工作。

行動WiMAX的MIMO性能

目前在WiMAX領域中,人們對MIMO行動WiMAX設備的性能仍持懷疑態度。由於至今尚未有行動WiMAX設備在多蜂巢式、多用戶環境(即有實際負載的網路)中實現和測試過,因此其性能表徵僅停留在鏈路和網路級模擬。設立這種模擬是一項非常複雜的任務,而採取簡化措施(如干擾平均)可能會在根本上產生錯誤結果。過去兩年來,ArrayComm的研究人員已經與合作夥伴英特爾、KT和其它公司共同在802.16性能的鏈路和網路級模擬展開研究。目前研發的模擬方案融合了過去14年內累積的MAS現場經驗,以下將介紹這些研發成果。

行動WiMAX規格中包含大量不同的處理模式和架構。限於篇幅,本文無法詳細介紹每種模式的特徵,但提供了選擇部署場合的總覽。圖3顯示了在其它情況相同條件下的關鍵覆蓋範圍和容量大小比較。


圖3:基於ArrayComm鏈路和網路級模擬所得到的行動WiMAX架構整體特徵

這些架構的定義如表1所示。


表1:不同WiMAX設計架構的定義描述。

基本架構MAS性能和充分利用上述所有四種MAS增益設計性能有本質上的區別。

並非所有MAS方法都有效

過去15年來,業界已經嘗試了許多實現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‘裝飾型(applique)’解決方案,即售後再添加的設備,由於與現有無線硬體的整合非常有限,而且演算法簡單,因此性能也不太好。

由於MAS軟體資源99%來自商用廣域部署技術的共享,以下將提供一些標準原則:

實現徹底的MSA分析 來自單天線的許多網路或經濟分析和性能模擬工具(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分析無疑更加複雜,但是很必要。

全面性的考量 在開始時就應該將MAS整合到客戶和基礎架構設計中,而不是留待日後再增加MAS,這樣能以最小的邊際成本獲得最高性能。圖4的架構說明了MAS如何適用於普通的WiMAX客戶端設備和基地台設備架構。


圖4:目前用於WiMAX的MAS實現結構圖。

考慮網路性能而不僅是鏈路 如上文所述,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)在多蜂巢式多用戶環境中可能產生問題。因此針對滿負載系統的網路級分析是必須的。

使用多種方法 從一個市場到另一個市場,從這一段時間到另一段時間,廠商要求和用戶行為都不斷改變。不同的MAS架構在不同應用中有各自的優缺點,並沒有一個‘最佳’方法。因此最好在系統中包含所有的方法(這是可能的,因為這是軟體系統),讓環境條件來確定使用哪種方法。

預測所有方法的動態無縫使用 MAS架構已經在PHS系統中(該應用選用八種不同的MAS演算法,以逐個訊框和每個用戶為基礎來最佳化性能)證明是非常動態的系統。許多無線系統控制(如從單個單元到網路級)可被整合進這類最佳化流程。

作者:Steven Glapa

行銷副總裁

sglapa@arraycomm.com

ArrayComm LLC公司




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