廣域無線網絡運營商們正越來越多地采用移動寬帶接入策略和豐富多媒體業(yè)務策略，這些策略對他們的無線網絡提出了極大的挑戰(zhàn)。為了建立和維持贏利的商業(yè)模型，需要對網絡容量、用戶數據速率、距離和覆蓋質量做較大的改進。運營商對MIMO等智能天線技術提供的潛在性能增益的興趣越來越大，因為這些技術能夠滿足這些挑戰(zhàn)，從而帶來網絡的發(fā)展。在無線局域網(WLAN)領域已有實際應用的MIMO以及近來客戶端設備技術的不斷進步將促進廣域網中MIMO應用的普及。
促使MIMO在局域網領域取得成功的許多局域網固有特性與廣域網環(huán)境有著很大的區(qū)別，因此我們必須謹慎地對待這種在不同應用中的轉變。在下面對廣域網 MIMO應用的簡要說明中，我們將重點突出干擾和有限散射特性，這二者是最重要的區(qū)別，也是實現中需要著重考慮的因素。對無線運營商來說有個好消息，即在廣域網中確實可以實現MIMO的大部分理論增益，條件是采用具有網絡意識(network-aware)的解決方案，這樣的方案能夠減少多蜂窩環(huán)境中的干擾，并保持受限散射條件下的運行穩(wěn)定性。另外值得注意的是，由于無需對現有無線協議作任何修改就能獲得這些性能增益，因此廣域網中的MIMO要比一般想象的更容易實現。
定義MIMO技術
由于用戶端設備對成本具有較大的敏感性，因此在目前商業(yè)廣域網中的智能天線配置只是在鏈路的基站側使用多幅天線，而客戶端設備只有一幅天線。隨著改善廣域網經濟的壓力不斷增大，以及客戶端設備芯片集成度提高，以及對客戶端增加智能天線處理的邊緣成本的降低，運營商對在鏈路兩端都使用智能天線的解決方案興趣也越來越大。
兩端同時用多幅天線將可以采用許多新的傳輸技術，這些技術在僅單端使用多幅天線的系統(tǒng)中是不可行的，在大多數情況下應用這些技術將提供更多的系統(tǒng)性能增益。
業(yè)界對智能天線的討論，包括對用于各種不同實現中的術語有完全不同的定義，因此有必要簡要介紹分類適用方法。先來看最簡單的例子，考慮在鏈路的每端都只有一幅天線的某個系統(tǒng)，雖然信號向所有方向(一般在120°扇區(qū)內)發(fā)送，但某個具體的無線信道可能只有兩條主導路徑，如圖1所示。本文所示例子是一個高位基站與一個路面的低位移動手機(更廣泛地說是“客戶設備”，因為有可能是移動計算平臺)之間的通信，大部分接收信號來自于鄰近建筑物的反射。這是一個單輸入單輸出(SISO)的信道。[注：在無線通信領域中所說的術語“輸入”和“輸出”是針對信道本身而言的，并非以信道兩端的設備為參考。
圖1：在基站(BS)和客戶設備(CD)之間具有兩條主導傳播路徑的無線信道，如圖中箭頭所示，該信道疊加在基站標稱的120°扇區(qū)傳送圖案上。
本文討論的是最簡單的，也是目前最常見的智能天線。如果接收器有一幅以上的天線，那么它能智能地組合來自不同天線接收到的信號，并識別出信號確實是來自兩個主要方向。它具有這個功能的原因是因為兩條路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特征 (spatial signature)。由于接收器能識別這兩種不同的空間特征，因此它能組合來自兩個天線的信號，并將二者累加起來形成更強的組合信號。這種方式被稱為單輸入[到信道1]多輸出[自信道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術被廣泛用于2G和現在的3G蜂窩網絡的鏈路基站側。
反過來，如果發(fā)送器有多幅天線，而接收器只有一幅天線，信號將仍沿相同的路徑傳播，因為物理環(huán)境沒變(建筑物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相比，MISO的最大不同在于信號組合必須在發(fā)送端完成，而不是在接收端。通過仔細調整發(fā)送天線，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用于PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的基站側有多幅用于接收(工作在SIMO模式)和發(fā)送(工作在MISO模式)的天線。
在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發(fā)送器可以通過調整它的天線以讓圖2中藍色所示的信息流沿第一條路徑(也就是空間特征)發(fā)送，而橙色所示的另外一條信息流沿另一條路徑發(fā)送。因為接收器也有多幅天線，因此它可以通過檢測不同的空間特征把兩條流分開來。在這種情況下，發(fā)送器可以發(fā)送兩個完全不同的數據流，從用戶看來相當于將數據速率提高了一倍。與單獨的MISO或SIMO處理相比，這種方式在最佳狀態(tài)下具有材料上的優(yōu)勢，這種MIMO優(yōu)勢的取得不需要增加額外的帶寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高信道效率和質量。
圖2：具有兩個主導傳播路徑的通信信道在MIMO方式下可以使用戶數據速率加倍。值得注意的是，多天線處理可以完成波束整形，從而使信號沿著感興趣的信道傳播，而另外一個主導信道上不傳信號。
MIMO 系統(tǒng)能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環(huán)境中存在這些空間維數，對這一點的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數據流。因此MIMO性能與系統(tǒng)應用環(huán)境中多徑的豐富程度密切相關。幸運的是，在許多環(huán)境中存在足夠多支持多個并行數據流的散射和多徑傳播。
信息理論的研究表明，如果鏈路兩端都使用多幅天線，那么代表了數據速率上限的系統(tǒng)容量將隨天線數量的增加而呈線性增長(在確定的信道前提下，并保持整體功率不變)。具有相同數量發(fā)送和接收天線的不同MIMO系統(tǒng)的理論容量如圖3所示，8×8
圖3：具有N幅發(fā)送和接收天線的MIMO系統(tǒng)在保持總發(fā)送功率不變的條件下理論平均容量相對信噪比(SNR)曲線。
MIMO系統(tǒng)(即鏈路的每端有8幅天線)的容量最多可以達到單天線系統(tǒng)容量的8倍。考慮所有的網絡的運營和資本開支，MIMO技術提供的性能和經濟效益要比單天線系統(tǒng)高出許多。特別是對于高數據速率的業(yè)務，比如真正的寬帶接入、IPTV和大型文件傳輸，在這些應用中受限的帶寬會引起嚴重的問題，而MIMO 技術則是很有前途的一種解決方案。
圖3的預測值只表征了理想系統(tǒng)的性能極限。信息理論對如何達到這些極限值沒有提供太多的實用性指導意見，實際系統(tǒng)面臨著如何充分利用信道提供的空間維度的挑戰(zhàn)。大體上有三種主要推薦的信道利用方法，前兩種方法著重單條鏈路的性能，第三種著重整個網絡性能：
1. 提高數據速率
上文討論的技術(如圖2中所示)通常稱為空間復用。對于有豐富散射環(huán)境的信道來說，通過在每幅天線上發(fā)送獨立的信息流可以提高數據速率，使用較為成熟的接收器技術可以將不同的數據流分離開來并進行單獨解碼。例如使用4幅發(fā)送和4幅接收天線的系統(tǒng)容量將達到單天線系統(tǒng)的4倍。
2. 通過分集技術改善服務質量
相反，如果在多幅天線多個符號(symbol)上發(fā)送相同的信號，那么就可以改善傳輸的可靠性，而不是提高數據速率。實際上在不同天線和不同時間點發(fā)送多份信號拷貝的這種技術提供了空間-時間的分集。同時在空間和時間上傳播或編碼信息符號的技術被稱為空間-時間編碼技術。
3. 通過減輕干擾獲得更高的數據速率和更好的服務質量
MIMO 系統(tǒng)中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環(huán)境的方法是優(yōu)化整個系統(tǒng)中的射頻能量分布，盡量減少網絡中共信道干擾的產生和敏感度。本文最后部分將詳細討論這種方法。利用更高的SINR(更高的SINR可實現更高的調制等級，因此鏈路可達到更高的數據速率)和經典分集(可增加鏈路穩(wěn)定性)，這種方案可以提供更高的數據速率和更具魯棒性的鏈路。就像在MISO系統(tǒng)中，基站用多個空間信道來實現客戶設備一致的組合能量那樣，這些信道被客戶端用來改善這些空間’方向’中的有效靈敏度(像SIMO系統(tǒng)那樣)，降低基站發(fā)送所需的功率。相反的過程在上行鏈路上完成。基站和客戶設備通過自動一致地運行降低系統(tǒng)中的干擾水平。就像后文所要討論的那樣，整個網絡性能是廣域網系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵方面，而降低干擾是提高寬帶網絡性能的主要驅動力。
全球的研究實驗室業(yè)已證明MIMO技術在早期的無線局域網應用中的實際可行性，其系統(tǒng)容量非常接近實驗室中同時使用空間復用和空間-時間編碼技術所能達到的理論預測值。由于在最初應用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術很快走出實驗室，并應用于實際的WLAN產品中。
MIMO早期在WiFi上取得的成功
宣傳最多的MIMO實現是在固定的無線局域網環(huán)境中，在這種環(huán)境中MIMO的最大好處是提高了單個用戶設備的吞吐量。特別是家庭和企業(yè)級WLAN所具有的多個特性使它們成為最早采納MIMO的理想候選網絡，這些特性包括：
1. 豐富的散射
大多數WiFi系統(tǒng)都處在有大量散射條件的環(huán)境中，如室內或密集的城市建筑物間。在這些環(huán)境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來形成多個流。事實上，室內環(huán)境與獲得圖3所示的容量隨天線數量增加而呈線性增長所需的條件非常相似。
2. 獨立部署
獲得快速部署的一個重要因素是WiFi設備通常是最終用戶自己購買的，并且在他們自己的網絡中是獨立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互操作性并不成問題，就像IEEE 802.11n產品在公共MIMO標準獲得一致意見之前取得成功所表明的那樣，允許快速部署MIMO技術，不需要等到標準的統(tǒng)一。
3. 有限的干擾
同樣關鍵的是WiFi環(huán)境非常接近研究MIMO技術的理論假設。由于WiFi網絡的短距離和動態(tài)信道分配特性，MIMO接收器一般工作時沒有很大的共信道干擾。如果工作在沒有補償的共信道干擾環(huán)境中，這些解決方案的性能會很快下降。
MIMO在WiFi中的成功部署表明由MIMO提供的潛在性能改善是真實的。從實驗室結果到實際的WiFi產品只用了短短幾年的時間，這一事實對廣域網無線網絡運營商來說意味著再次取得成功的機會非常大。
廣域網所面臨的挑戰(zhàn)
使MIMO在WiFi產品中得到成功應用的性能優(yōu)勢同樣使MIMO成為廣域無線移動環(huán)境中的一種可能的技術選擇。然而，移動、多蜂窩環(huán)境與WiFi射頻環(huán)境在某些方面有本質的區(qū)別，因此移動環(huán)境面臨諸多配置方面的挑戰(zhàn)。
1. 干擾
由于采用密集的和大蜂窩部署方式，廣域環(huán)境中的干擾特別嚴重。在這種環(huán)境中，干擾抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，為了將MIMO在WLAN的成功應用經驗推廣到廣域網和移動寬帶數據業(yè)務，必須采用新的MIMO解決方案，并且要兼顧干擾和數據速率。
2. 有限散射
在某些情況下，廣域散射環(huán)境只能有一條或兩條主導路徑。例如，如果是視距(LOS)傳播，那么就只有一條主導傳播路徑，也就限制了空間復用技術的使用。
3. 互操作性
在廣域網絡中，所有用戶都需要無縫地通過大型網絡(跨越地區(qū)和運營商)與基站進行通信，因此必須支持互操作性。像上述使用空間復用或空間-時間編碼技術的解決方案需要修改協議，因此會極大地增加廣域網中的MIMO解決方案產品的面市時間。例如，接收器需要知道發(fā)送器使用的空間-時間代碼才能正確地對數據解碼。將MIMO納入移動系統(tǒng)的工作已經在多個標準化組織中展開，比如IEEE 802.16e標準，但具有魯棒性的商用產品仍需相當一段時間才能正式上市。
這些因素使得在廣域網中采用MIMO會比WiFi面臨更多的挑戰(zhàn)，需要采用能夠解決大型多蜂窩網絡特有屬性的新解決方案。MIMO在廣域網中的成功實現將取決于下面兩個關鍵屬性：
干擾抑制。在廣域網中為了減少干擾，至少要部分使用通過鏈路兩端的天線陣列獲得的更多自由度。與只在單端進行干擾抑制的系統(tǒng)相比，在發(fā)送器和接收器端同時進行干擾抑制可以顯著地減少網絡干擾。
魯棒性解決方案。需要開發(fā)出能夠解決主導傳播路徑數量有限的方案，即使在有限散射的信道中，通過發(fā)送器和接收器端組合信號仍可以獲得顯著的性能增益。最近的研究表明，即使是只有一條主導傳播路徑的信道(也稱為鎖眼信道，key-hole channel)，在鏈路兩端同時使用智能天線技術仍能獲得可觀的性能增益。
用于廣域網的MIMO
不需要修改已有協議，也不用等到新協議完成就能在現有廣域網中獲得顯著的MIMO增益。基站采用自適應陣列處理技術、移動終端采用類似處理技術即可獲得明顯的性能改善，這就是上文提到的第三種基本MIMO方法。事實上，理論研究也指出，這是在廣域網中最常見的多信道條件下所采取的最佳方法。同時增強信號強度和干擾抑制性能對推進廣域網的發(fā)展、支持運營商越來越高的帶寬和多媒體業(yè)務目標顯得尤為重要。
下面介紹能夠平衡干擾抑制和吞吐量的解決方案?；就ㄟ^計算天線陣列的組合權重盡量減少基站方面的干擾。同樣，移動終端使用它的天線陣列減少手機方面的干擾。由于在基站或客戶設備上都不需要特殊的鏈路編碼，因此 MIMO處理的實現和操作可以完全獨立于每個設備。結果將形成一個自組織和自優(yōu)化的系統(tǒng)，它能連續(xù)適應變化的干擾環(huán)境和用戶不斷變化的業(yè)務需求。由于這種 MIMO方法中鏈路兩端設備是互相獨立的，因此即使在不同種類網絡或正在升級變化中的網絡(不是所有基站和客戶設備都裝備有多幅天線的網絡)條件下也能提供優(yōu)異的性能。單天線終端可以使用SIMO(發(fā)送中)或MISO(接收中)信道簡單地加入這樣的網格，并與多天線終端一起工作。這種干擾最小化MIMO技術所帶來的總體網絡性能將隨著系統(tǒng)中多天線設備的增多而日益增強。
本文小結
MIMO 技術提供的性能增益為推動無線通信的下一步發(fā)展提供了極具前景的動力。為WiFi市場和廣域網提供性能增強的MIMO設備不久就會上市。然而，廣域移動無線系統(tǒng)中的射頻環(huán)境與WiFi完全不同，干擾是最大的挑戰(zhàn)。幸運的是，現在已經有了基于自適應天線處理技術的廣域網MIMO解決方案，能夠在單天線系統(tǒng)中提供巨大的性能增益。這些解決方案通過多幅天線和信道內部固有的空間維數可以完全滿足干擾和吞吐量要求。而且大部分增益性能可以在不修改協議的條件下實現，相信在不遠的將來這些解決方案很快會得到廣泛應用。因此，廣域MIMO應用可能要比想象的更容易實現。