MIMO强化WLAN涵盖范围与传输速率

MIMO采用的是一种革命性的多次元传输方案：它透过一个单一射频通道来收发二或多个资料信号流，如此一来，无线通讯系统就能在一个通道中达到两倍或两倍以上的资料传输。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讯号，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讯号。采用MIMO技术，每个通道的最大资料传输速率将随着通道中传送的不同资料流数目而呈线性成长。

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资料的传输能力倍增。 MIMO系统的峰值传输速率（peak throughput）随微波通道中传送的讯号流数目而增加，也因为在不同的天线和通道中传送多重的讯号，MIMO讯号有时也被称为「多次元讯号」（ multi-dimensional signal）。一般的射频讯号被称为一次元讯号，因为它们即使采用多个天线，在一个射频通道中只能传送一个资料流。

除了让相同通道中的资料速率倍增外，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）来增加涵盖范围和稳定性。MIMO系统对「有效传输速率」（effective throughput；离发射器特定距离所量测到的传输速率）的提升比对「峰值传输速率」（peak throughput；离发射器很近的地方量测到的传输速率）的提升效果还要大，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，如(图一)所示。

《图一左半圆为非MIMO系统的测试结果，右半圆为MIMO系统的测试结果》

＜资料来源：The Tolly Group, reference document 204143, published 12/23/2004＞

一些近数十年来广为人知但是效率较低的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 diversity）。这类技术虽然可以改善一般传统一次元讯号送收技术的涵盖范围，也很适合户外点对点连结（wireless backhaul）等特定应用，但它们还是无法真正达到MIMO系统让传输容量倍增的效果。

其他会和MIMO混淆的技术还包括资料压缩（data compression）和射频通道汇整（radio channel combining）。在多数的网路应用上，资料压缩技术实际上并没有增加资料的传输速率；通道汇整技术则在许多国家中（如日本）遭遇到频段未开放而不能合法使用的问题。通道汇整技术的另一个问题是它可能会干扰到在同一网路中的其他网路设备，这种会对邻近无线网路造成负面冲击的情况，让通道汇整常被视为是一种「坏邻居」的技术。

与通道汇整技术不同的是，MIMO不需要增加射频通道的使用数目就能达到更高的资料传输速率；不仅如此，MIMO具有与其他设备的向下相容性和互通操作性，而且不会对其他的网路造成干扰。

MIMO并非一般的智慧型天线系统

某些利用一次元讯号收送技术的智慧型天线（smart antenna）无线系统采用多种技术来改善天线效能，也就是以波束成形技术来集中传送讯号能量，并以接收汇整（receive combining）或接收多样性技术来补捉更强讯号。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（hidden nodes）、可以支援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 diversity）方案，为了接收最强的讯号和改善可靠性，多样性天线在数个天线间切换选择，但由于并没有额外的讯号处理，讯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讯号处理，进而因应讯号衰减和多径反射的影响，不过这项技术也不能增加资料传输速率或传输容量。

MIMO让通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是唯一能在系统的单一通道或每MHz频段中，以二倍或二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WiFi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）；通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「智慧型」天线的其他系统具有至少二倍的传送能力。

从Marconi到MIMO：开发多路径传播方式

颠覆一百年来的思考

1895年时，Guglielmo Marconi首度改变了世人对于无线通讯的看法。他从一座山后送出第一道射频讯号，并在三公里外被接收，进而证实了无线通讯不需要采直线对传（line-of-site）。然而，在接下来的一百年当中，无线领域的专家认为多路径的讯号反射，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1990年代时，史丹佛大学的两名研究生－Greg Raleigh和VK Jones（两人都是Airgo Networks的创办人）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。在1996年时，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，如(图二)，这份论文的题目是：「无线通讯的时间与空间编码」（Spatial-Temporal Coding for Wireless Communications, GLOBECOM '96, London, November 1996, pp.1809-1814）

《图二 MIMO在瑞雷衰落信道（Rayleigh Fading Channel）的平均能力》

这个革命性的作法把香农极限（Shannon limit）理论延伸到多路径通道传送的MIMO系统上，它藉由射频讯号经由物件反弹后再由接收器分开来接收的所谓空间多工（Spatial Multiplexing）原理来传送比过去所能想像得到的可行方式还要更多的资讯。透过在连结两端的多重天线的使用和复杂的数位讯号处理演算，MIMO确实运用多径反射来改善效能。

MIMO如何运作

在(图三)中说明了MIMO运作的方式：(1)MIMO系统将一个资料流分为数个资料流；(2)每个资料流被模组化编码；(3)透过不同的射频天线链，同时、在同一频率通道中被传送；(4)经由多径反射后，每一个接收天线射频链都有多个传送资料流的线性汇整；(5)在接收器中使用MIMO演算法将这些资料流分开，演算法是依每个发射器和接收器之间的所有通道来做估算。

《图三 MIMO系统的运作方式》

每个多径路线可以被视为是创造多重「虚拟线路」的个别通道，它们都能用来传送讯号。 MIMO多个空间性分离的天线可以充分发挥由多径创造的虚拟线路，并传送更多资料。除了让传输速率倍增外，由于每个接收天线对于个别传送资料流都进行计算，传输范围也因此能增加，这也是天线多样性的一种优点。

802.11 MIMO OFDM发射器

一个基本的MIMO-OFDM发射器流程如(图四)所示，图中显示主要的处理区块包括数位（绿色）、混合讯号（蓝色）和类比（黄色）等功能：两个发射器天线和两组在一起的OFDM调制器（modulator）、数位－类比转换器（DAC）、类比调制器（RF前端）、功率放大器（PA），和全向性（omni-patterned）天线。

双天线MIMO发射器是一个由两组同一来源的类比链（DAC和RF电路）及omni-patterned天线组成的数位调制器，因此，802.11 MIMO-OFDM的传输和两个同步在相同通道中的802.11 OFDM传输是完全一样的，只不过传送的是不同的数位资料。

如图四所示，资讯源先杂散化（scrambled）之后，加上以多余前向纠错（Forward Error Correction redundancy；FEC）的方式作编码。为了让这些编码位元的传送次序随机化，这些编码过的位元（encoded bits）会被分别交叉放置到不同的天线发射链中，也就是连续的编码位元被随机送到不同的OFDM调制器，每个调制器再将编码位元往后送到发射处理链及天线。

《图四 MIMO-OFDM 发射器的基本架构》

MIMO并非发射波束成形技术

MIMO采用的技术和一般的发射波束成形技术（有时被称为「智慧型天线」）是相对的，后者的基本原理是调整普通讯号的振幅（amplitude）和相位（phase）来建构个别的天线讯号。

(图五)所示的是发射器数位讯号处理部分的双天线波束成形系统，讯息资料被编码和插入OFDM载波中，在这个情况中的交错器（Interleaver）并非将编码过的位元送到不同的天线，而是只是送到不同的频率中，这个发射器只用了一个OFDM调制器。波形接着依个别天线做振幅和相位的调整，再分成w(1)和w(2)送到天线，每个OFDM音频（tone）可能会有不同的相位和振幅值。

虽然对于户外点对点无线连结（wireless backhaul）等特定应用来说，这样的作法有其优势，但它并不能增加无线网路的整体传输速率，也不能为家庭及办公室的多用户无线网路提供一个可靠性的环境。

《图五 OFDM发射波束成形的基本架构》

MIMO在802.11n和Wifi未来应用中的角色

对于无线通讯领域来说，一直在寻求能达到更高传输速率、更广的涵盖范围和更可靠性能的解决方案，MIMO为这样的需求提供了一个创新的方案，而且不需要使用更多的频谱。

在MIMO技术的优势下，WLAN可以用来传送不容许延迟、需要大量频宽的多媒体应用，例如HDTV无线即时传播；它也为企业或家庭提供了在更大涵盖范围中的可靠及更高的传输速率，而且让不断提升的网路连结速度能充分发挥其好处。使用者不用再因连结速度慢、涵盖范围不足或不可靠的连结而感到挫折。

MIMO已被采用来做为定义下一代WiFi，也就是IEEE 802.11n标准的基础。未来MIMO将广泛地被用在WiFi设备上，从家庭中的娱乐系统到多媒体伺服器，到手持式电脑或VoIP电话等设备中都可以发现。不仅如此，MIMO在频谱效率和效能表现上的优势，让它也很适合被用在广域无线的手机应用市场。

当IEEE 802.11n的标准完成并正式被批准，而WiFi联盟也开始针对此标准进行互连性认证后，MIMO系统会是今日802.11a/b/g标准的技术延伸，为使用者提供了市场上最佳的无线传输表现，并保留了现存WiFi系统的完整功能。（作者为Airgo大中国区总经理）