MIMO：一个以多次元传输方案提升传输容量的新技术

出处：中原仔发布于：2006-05-23 15:35:25

MIMO技术可以大幅改善WLAN的涵盖范围与传输速率。
　　当家庭宽带网络连结、HDTV无线实时传播等不容许延迟且频宽需求大的多媒体应用，以及娱乐设备分散和分享内容的应用愈来愈普遍时，无线通讯技术也被要求在有限频谱的条件下提高其效能。
　　我们需要能更有效率地高速传送高品质信号的技术，而这种技术又不能用到额外的波段频宽。多进多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技术正是能克服信号衰落、干扰增加及有限频谱等无线通讯挑战的解决方案。它在不占用更多频宽的情况下，除了能让传输速率倍增，也同时能增加传输范围和使用的稳定性。

　　一个多次元传输方案
　　MIMO技术是一个能在单一射频信道中收发两个或多个资料信号流的技术。它采用多次元传输方案：通过一个单一射频信道来收发两个或多个的信号流，如此一来，无线通讯系统就能在一个信道中达到两倍或两倍以上的数据传输。在系统中，用一个以上高整合的射频升频器（upconverter）和天线来传送这些多重信号，同时也有一个以上高整合的射频降频器（downconverter）和天线来接收这些多重信号。采用MIMO技术，每个信道的数据传输速率将随着信道中传送的不同资料流数目而呈线性增长。
　　由于具有同时传送多重资料流的能力，MIMO可以在不用到额外频谱的条件下让无线信号的传输能力倍增。MIMO系统的峰值传输速率（peak throughput）随微波信道中传送的数据流数目而增加，也因为在不同的天线和信道中传送多重信号，MIMO信号有时也被称为“多次元信号”（multi-dimensional signal）。
　　除了让相同信道中的信号速率倍增外，妥善设计的MIMO系统还可以藉由高频谱效率和更高的远程传输速率（throughput-at-range）来增加覆盖范围和稳定性。MIMO系统对“有效传输速率”（effective throughput，距发射器特定距离所测量到的传输速率）的提升比对“峰值传输速率”（peak throughput，距发射器很近的地方测量到的传输速率）的提升效果还要好，独立的测试显示一个设计良好的WLAN MIMO系统可以将有效涵盖范围提升八倍，同时也能将有效传输速率提升六倍。

　　MIMO并非一般的智能型天线系统
　　其它一些多天线传送及接收技术常常会和MIMO技术相混淆，这些技术包括发射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多样性（receiver persity）。这类技术虽然可以改善一般传统元信号的覆盖范围，也很适合户外点对点连结（wireless backhaul）等特定应用，但它们还是无法达到真正MIMO系统让传输容量倍增的效果。
　　波束成形虽然能为某些应用提供更广的传送范围，但它的一些严重的负面因素却不能被忽视，例如会造成一些隐蔽节点、可以支持的终端设备数目会减少，以及在高电力消耗的限制下对射频传送器的数目造成限制。
　　再来看看接收多样性(antenna persity)方案，为了接收强的信号和改善可靠性，多样性天线在数个天线间切换选择，但由于没有额外的信号处理，信号的品质并没有改变。接收汇整技术的情况也很相似，它虽然能通过多个天线来进行信号处理，但因信号衰减和多径反射的影响，这项技术也不能增加数据传输速率或传输容量。
　　其它会和MIMO混淆的技术还包括数据压缩（data compression）和射频信道汇整（radio channel combining）。在多数的网络应用上，数据压缩技术实际上并没有增加资料的传输速率；信道汇整技术则在许多国家（如日本）遭遇到频段未开放而不能合法使用的问题。信道汇整技术的另一个问题是它可能会干扰到在同一网络中的其它网络设备，这种会对邻近无线网络造成负面冲击的情况，让信道汇整常被视为是一种“坏邻居”的技术。
　　与信道汇整技术不同的是，MIMO不需要增加射频信道的使用数目就能达到更高的数据传输速率；不仅如此，MIMO具有与其它设备的向下兼容性和互通操作性，而且不会对其他的网络造成干扰。

　　MIMO让信道的传输容量倍增并改善频谱使用效益
　　在多天线技术中，MIMO是能在系统的单一信道或每MHz频段中，以两倍或两倍以上的峰值资料速率来提升频谱效能（spectral capacity）的技术。举例来说，在WLAN或Wi-Fi的应用中，MIMO能将17MHz频宽中的传输速度一举提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相较之下，802.11a/g即使采用了波束成形或多样性技术，在17MHz频宽中的峰值表现上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道汇整技术虽然也能达到108Mbps的传输速率，但它用了40MHz的频宽，每MHz只能传送2.7Mbps。因此，MIMO能比同样采用多个“智能型”天线的其它系统具有至少二倍的传送能力。

　　从Marconi到MIMO：开发多路径传播途径
　　1895年时，Guglielmo Marconi首度改变了世人对于无线通讯的看法。他从一座山后送出道射频信号，并在三公里外被接收，进而证实了无线通讯不需要直线对传（line-of-site）。然而，在接下来的一百年当中，无线领域的认为多路径的信号反射，也就是从多个路径到达接收器的情况是造成射频连结难以维持好品质的一项严重问题。
　　在20世纪90年代时，史丹佛大学的两名研究生－ Greg Raleigh博士和VK Jones博士（两人都是Airgo Networks的创始人）证实了射频传送的多路径特性其实能提升射频系统的传输能力。1996年，这个完全颠覆百年来射频架构思考的新观念首度在学术论文中以数学方式被证实。
　　这个革命性的作法把香农极限（Shannon limit）理论延伸到多路径信道传送的MIMO系统上，它藉由射频信号经由对象反弹后再由接收器分开来接收的所谓空间多任务 (Spatial Multiplexing) 原理来传送比过去所能想象得到的可行方式还要多的信息。通过连结两端的多重天线的使用和复杂的数字信号处理演算，MIMO确实运用多径反射来改善效能—— 这可以称得上是现代射频架构的演进。