4G空中接口通用的OFDMA和MIMO技术探讨

发送(TX)端有m幅天线，接收(RX)端有n幅天线，就形成了一个m×n的MIMO，此时信道的数量就等于所有组合之和：例如一个2×2的MIMO就有4个“信道”(1-1,1-2,2-1,2-2)，性能将达到SISO系统中香农极限值的两倍。你只能从4个“信道”中发送2倍的信息，因为你需要“解开”信道矩阵才能提取信息。在实际应用中，信道不是完全独立的(存在一定的相关性)，因此优势有所降低。事实上有个似是而非的结论，即信道越差(更多的多径等)，MIMO的用处就越大，因为信道相关性越少。在自由空间中，由于4个信道非常相似，因此带来的好处非常有限。

MIMO有多种不同的使用方式。拿WiMAX下行链路来说，它有两种标准的MIMO模式：Matrix A和Matrix B。前者也被称为空间时间编码(STC)，它通过两幅发射天线以不同的形式发送相同的信号。由于发送的是相同的符号，数据速率在SISO上不会提高，但由于两种形式(s和-s*)不同，接收机有更好的机会恢复数据，因此鲁棒性和范围(针对指定的数据速率)得到了改善。为了在下行链路中实现这一技术，虽然符号率块不受影响(发送的一个符号)，但现在有两个突发链(burst chain)，它们用不同调制形式的信息馈送到两幅天线。

Matrix B则相反，它通过发送两个不同的符号来获得双倍的数据速率。在这种情况下，共有两个突发链(针对两幅天线)，每个链处理独立的符号；在实际应用中，它将不是简单的复制，而是符号率部分将被设计得更加快速，然后将输出信号交替发送给两个TX分支。实际系统同时支持两种模式，可以根据每个用户要求选择Matrix A或B：向条件较好的系统以较快的速度发送数据，而使用STC能使蜂窝边缘的系统受益。

这非常适合多核架构。如图4所示，有两个独立的突发链馈送倒两幅天线：同样的架构被简单地例示了两次，这对工程师来说非常简单。这个特殊的图实际上稍微有些复杂，在实际应用中，许多系统都结合使用MIMO和多种空间技术，如波束成形、“调零”(null-steering)天线或SDMA。这个特殊设计共有8幅天线，配置为每个MIMO分支4幅，每个天线都可以独立控制。

图4：具有两个独立突发链的MIMO下行链路系统。

在接收机侧，信号处理相对更加复杂：不仅因为Matrix B有更高的峰值数据速率，而且用于区分不同信号的接收机特别复杂。

本文小结

空中接口正变得越来越复杂，并且依赖于更复杂的算法才能获得最佳的性能、效率和范围。基于FFT的OFDMA已经成为下一代无线的标准技术。但最新的技术，如LTE，也在寻求做出更多的改善：它们采用更复杂的技术，如SC-FDMA，并要求灵活的DFT技术。

我们可以使用软件可编程架构来模仿面向硬件的折中所具有的优势和灵活性，引导系统制造商更早地进入需要WiMAX和LTE等算法的市场。这样就能让他们比竞争对手更早地推出产品，并仍确保与标准的兼容。事实上，一个合适的架构可以实现从一个公共平台开始的所有标准(如802.16d/e和LTE，以及下一代PHS或UMB)。扩展这种架构以支持MIMO相对比较简单。

作者：Sam Jenkins

　　首席工程师

　　picoChip公司