MIMO：商機無限的無線寬帶通訊新技術(shù)
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摘要 ：本文簡要介紹了無線寬帶通信熱點技術(shù)—MIMO的概念、特點，并與其他技術(shù)進行簡單比較從而分析其發(fā)展現(xiàn)狀和市場應用前景。
隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對無線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來越高。在未來的無線寬帶通信系統(tǒng)中，存在著兩個最嚴峻的挑戰(zhàn)：信道多徑衰落和頻譜效率。作為無線寬帶通信的基礎技術(shù)--正交頻分復用(OFDM)能夠解決多徑衰落問題，在帶寬和功率不受限的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)人們期待的高速率，但對帶寬和功率受限的無線局域網(wǎng)系統(tǒng)就不太適合了。而多入多出(MIMO)技術(shù)能能夠在空間中產(chǎn)生獨立的并行信道，同時傳輸多路數(shù)據(jù)流，這樣就有效地提高了系統(tǒng)的傳輸速率，即在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下增加頻譜效率。因此MIMO與OFDM的結(jié)合將成為適應下一代無線局域網(wǎng)發(fā)展要求的關(guān)鍵技術(shù)，在未來幾年中，該技術(shù)的相關(guān)研究工作將進一步受到重視，特別在無線局域網(wǎng)領域的應用研究將成為熱點。二者相輔相成，催生了無線寬帶通信技術(shù)廣闊市場。
那么到底什么是MIMO技術(shù)呢？
MIMO就是Multiple Input Multiple Output的縮寫，顧名思義是多輸入、多輸出的意思。無線網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進行同步傳送；由于無線信號在傳送的過程中，易受多種因素的影響和干擾，會走不同的反射或穿越路徑，因此到達接收端的時間不一致。為了避免數(shù)據(jù)不同步而無法重新組合，接收端由多重天線接收，對接收信號利用DSP重新計算的方式，根據(jù)時間差的因素，將分開的數(shù)據(jù)重新組合后輸出正確且快速的數(shù)據(jù)流。由于無線傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過分割傳送，不僅單一數(shù)據(jù)流量降低，可延長傳送距離，而且還拓展了天線接收范圍。因此MIMO技術(shù)不僅可以加快既有無線網(wǎng)絡頻譜的數(shù)據(jù)傳輸速率，又不用額外占用頻譜，更重要的是，還能延長信號接收距離。從這個角度講，MIMO無疑相當于給無線傳輸開辟了多條車道，同時又保證了高速度和高效率，真正讓無線通信駛上了信息高速公路。
MIMO技術(shù)是如何運作的呢？
圖1 MIMO系統(tǒng)的運作方式
MIMO系統(tǒng)將一個數(shù)據(jù)流分為數(shù)個數(shù)據(jù)流；2. 每個數(shù)據(jù)流被模塊化編碼；3. 通過不同的射頻天線鏈，同時在同一頻率信道中被傳送；4. 經(jīng)由多徑反射后，每一個接收天線射頻鏈都有多個傳送數(shù)據(jù)流的線性匯整；5. 在接收器中使用MIMO算法將這些數(shù)據(jù)流分開，算法是依每個發(fā)射器和接收器之間的所有信道來做估算。
每個多徑路線可以被視為是創(chuàng)建多重“虛擬線路”的單個信道，它們都能用來傳送信號。MIMO的多個空間性分離的天線可以充分利用由多徑創(chuàng)建的虛擬線路，并傳送更多數(shù)據(jù)。除了讓傳輸速率倍增外，由于每個接收天線對于單個傳送數(shù)據(jù)流都進行計算，傳輸范圍也因此能增加，這也是天線多樣性的一種優(yōu)點。
圖2示出一個基本的MIMO-OFDM發(fā)射器流程。圖中顯示主要的處理模塊包括數(shù)字(綠色)、模擬(黃色)和混合信號(藍色)等功能。有兩個發(fā)射器天線和兩組在一起的OFDM調(diào)制器、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)、模擬調(diào)制器(RF前端)、功率放大器(PA)和全向性(omni-patterned)天線。雙天線MIMO發(fā)射器是一個由兩組同一來源的模擬鏈(DAC和RF電路)及全向性天線組成的數(shù)字調(diào)制器，因此， MIMO-OFDM的傳輸和兩個在相同信道中同步的OFDM傳輸是完全一樣的，只不過傳送的是不同的數(shù)字資料。
圖2 MIMO-OFDM 發(fā)射器的基本架構(gòu)
如圖2所示，信息源雜散化之后，以冗余前向糾錯(FEC，F(xiàn)orward Error Correction redundancy)的方式作編碼。為了讓這些編碼位的傳送次序隨機化，這些編碼過的位會被分別交叉放置到不同的天線發(fā)射鏈中，也就是連續(xù)的編碼位被隨機送到不同的OFDM調(diào)制器，每個調(diào)制器再將編碼位往后送到發(fā)射處理鏈及天線。
MIMO與其他無線通信傳輸技術(shù)的比較
由于具有同時傳送多重數(shù)據(jù)流的能力，MIMO可以在不增加額外頻譜的條件下讓無線信號的傳輸能力倍增。MIMO系統(tǒng)的峰值傳輸速率隨射頻微波信道中傳送的數(shù)據(jù)流數(shù)目而增加。因為在不同的天線和信道中傳送多重信號，MIMO信號有時也被稱為“多維信號”(multi-dimensional signal)。
除了讓相同信道中的信號速率倍增外，妥善設計的MIMO系統(tǒng)還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率(吞吐量)(throughput-at-range)來增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統(tǒng)對“有效傳輸速率(吞吐量)”(effective throughput，距發(fā)射器特定距離所測量到的傳輸速率)的提升比對“峰值傳輸速率(吞吐量)”(peak throughput，距發(fā)射器很近的地方測量到的傳輸速率)的提升效果還要好，獨立測試顯示一個設計良好的WLAN MIMO系統(tǒng)可以將有效覆蓋范圍提升八倍，同時也能將有效傳輸速率提升六倍。
其他一些多天線傳送及接收技術(shù)常常會和MIMO技術(shù)相混淆，這些技術(shù)包括發(fā)射波束成形(transmitter beam-forming有時被稱為“智能型天線”)和接收多樣性(receiver diversity)。這類技術(shù)雖然可以改善一般傳統(tǒng)一維信號的覆蓋范圍，也很適合戶外點對點連結(jié)(wireless backhaul)等特定應用，但它們還是無法達到真正MIMO系統(tǒng)讓傳輸容量倍增的效果。
圖3所示的是發(fā)射器數(shù)字信號處理部分的雙天線波束成形(智能型天線)系統(tǒng)，信息數(shù)據(jù)被編碼和插入OFDM載波中，在該情況下的交錯器(Interleaver)并非將編碼過的位送到不同的天線，而只是送到不同的頻率中，這個發(fā)射器只用了一個OFDM調(diào)制器。波形按照單個天線做振幅和相位的調(diào)整，再分成w(1)和w(2)送到天線，每個OFDM可能會有不同的相位和振幅值。
圖3 OFDM 發(fā)射波束成形的基本架構(gòu)
雖然對于戶外點對點無線連結(jié)等特定應用來說，這樣的做法有其優(yōu)勢，但它并不能增加無線網(wǎng)絡的整體傳輸速率，也不能為家庭及辦公室的多用戶無線網(wǎng)絡提供一個可靠的環(huán)境。
波束成形雖然也能為某些應用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴重不利因素卻不可忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點；可以支持的終端設備數(shù)目會減少；以及其高功耗的限制對射頻傳送器的數(shù)目造成限制。我們再來看看接收多樣性(antenna diversity)方案，為了接收最強的信號和改善可靠性，接收天線在數(shù)個多樣性天線間切換選擇，但由于沒有額外的信號處理，信號的品質(zhì)并沒有提升。接收整合技術(shù)的情況也很相似，它雖然能通過多個天線來進行信號接收，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項技術(shù)也不能增加數(shù)據(jù)傳輸速率或傳輸容量。
其他會和MIMO混淆的技術(shù)還包括數(shù)據(jù)壓縮(data compression)和射頻信道整合(radio channel combining)。在多數(shù)的網(wǎng)絡應用上，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實際上并沒有增加數(shù)據(jù)的傳輸速率；信道整合技術(shù)則在許多國家(如日本)遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。信道整合技術(shù)的另一個問題是它可能會干擾到在同一網(wǎng)絡中的其他網(wǎng)絡設備，對鄰近無線網(wǎng)絡造成不利的沖擊。
與信道整合技術(shù)不同的是，MIMO不需要增加射頻信道的使用數(shù)目就能達到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其它設備的向下兼容性和互通操作性，而且不會對其他的網(wǎng)絡造成干擾。
MIMO的市場應用前景
早在2003年8月，AirgoNetworks就推出了AGN100 Wi-Fi芯片組，并稱其是世界上第一款集成了MIMO技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù)，將Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性，使用3個5GHz和3個2.4GHz天線。該芯片支持所有的802.11a、b和g模式，包括IEEE802.11工作組推出的最新標準(包含TGi安全和TGe質(zhì)量的服務功能)。使用Airgo芯片組的無線設備可以和以前的802.11設備通信，甚至可以在以54Mbps的速率和802.11a設備通信的同時還能以108Mbps的速率和Airgo的設備通信。憑借在提高系統(tǒng)頻譜利用率方面卓越的性能表現(xiàn)，MIMO技術(shù)已在移動通信技術(shù)發(fā)展進程中倍受關(guān)注。目前MIMO芯片發(fā)展十分迅速，三星電子也宣布，即將推出兩款內(nèi)建MIMO的筆記本電腦，這是MIMO首次應用于筆記本電腦，這再次證明了MIMO在市場上的高接受度與成長性。
MIMO可以改進WLAN的吞吐量、傳輸距離和可靠性，使它成為無線通信領域中一項關(guān)鍵的技術(shù)。在MIMO技術(shù)的優(yōu)勢下，WLAN可以用來傳送不容許延遲、需要大量頻寬的多媒體信息，例如HDTV無線實時傳播。它也為企業(yè)或家庭提供了在更大覆蓋范圍中更可靠及更高速率的傳輸，而且讓不斷提升的網(wǎng)絡連結(jié)速度能充分發(fā)揮其好處。使用者不用再因網(wǎng)絡連結(jié)速度慢、覆蓋范圍不足或連結(jié)不可靠而報怨。在3GPP的高速下行分組接入方案中提出了基于MIMO技術(shù)的天線系統(tǒng)，這種系統(tǒng)在發(fā)送和接收方都有多副天線，可以認為是雙天線分集的進一步擴展。但MIMO還引入編碼重用(Codere-use)方法，用相同的信道編碼和擾碼調(diào)制多個不同的數(shù)據(jù)流，充分利用了移動通信空間資源。目前，朗訊、松下和NTTDoCoMo等公司都在積極倡導MIMO天線系統(tǒng)技術(shù)的應用。近幾年來，還有許多機構(gòu)在研究基于MIMO天線系統(tǒng)的空時編碼技術(shù)，以期能降低設備的復雜度、提高處理能力，朝著最大程度利用空間資源的發(fā)展方向前進。
MIMO已被用作定義IEEE 802.11n標準的基礎。未來MIMO將廣泛地被用在Wi-Fi設備上，從家庭中的娛樂系統(tǒng)到多媒體服務器、手持式計算機或VoIP電話等設備中都可以發(fā)現(xiàn)MIMO。不僅如此，MIMO在頻譜效率和效能表現(xiàn)上的優(yōu)勢，讓它也很適合被用于廣域無線的手機應用市場。
隨著IEEE 802.11n標準的完成并將正式被批準， Wi-Fi聯(lián)盟已開始針對此標準進行互連性認證。MIMO系統(tǒng)最終會成為今日802.11a/b/g標準的強大且完全兼容的技術(shù)延伸，并能保留現(xiàn)有Wi-Fi系統(tǒng)的完整功能，由于其能為使用者提供市場上最佳的無線傳輸解決方案而被廣泛應用，這也為設備制造廠家提供了無限商機!
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