MIMO：商機(jī)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(diǎn)技術(shù)—MIMO的概念、特點(diǎn)，并與其他技術(shù)進(jìn)行簡單比較從而分析其發(fā)展現(xiàn)狀和市場應(yīng)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(gè)最嚴(yán)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(chǔ)技術(shù)--正交頻分復(fù)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(dú)立的并行信道，同時(shí)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(yīng)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(jìn)一步受到重視，特別在無線局域網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究將成為熱點(diǎn)。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(luò)通信數(shù)據(jù)通過多重切割之后，經(jīng)過多重天線進(jìn)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(dá)接收端的時(shí)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(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)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(luò)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(gè)角度講，MIMO無疑相當(dāng)于給無線傳輸開辟了多條車道，同時(shí)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(yùn)作的呢？
圖1 MIMO系統(tǒng)的運(yùn)作方式
MIMO系統(tǒng)將一個(gè)數(shù)據(jù)流分為數(shù)個(gè)數(shù)據(jù)流；2. 每個(gè)數(shù)據(jù)流被模塊化編碼；3. 通過不同的射頻天線鏈，同時(shí)在同一頻率信道中被傳送；4. 經(jīng)由多徑反射后，每一個(gè)接收天線射頻鏈都有多個(gè)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(gè)發(fā)射器和接收器之間的所有信道來做估算。
每個(gè)多徑路線可以被視為是創(chuàng)建多重“虛擬線路”的單個(gè)信道，它們都能用來傳送信號。MIMO的多個(gè)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(gè)接收天線對于單個(gè)傳送數(shù)據(jù)流都進(jìn)行計(jì)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(diǎn)。
圖2示出一個(gè)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(lán)色)等功能。有兩個(gè)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(gè)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(gè)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(cuò)(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(jī)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(jī)送到不同的OFDM調(diào)制器，每個(gè)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(shí)傳送多重?cái)?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?yàn)樵诓煌奶炀€和信道中傳送多重信號，MIMO信號有時(shí)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(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)還可以藉由高頻譜效率和更高的遠(yuǎn)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(dú)立測試顯示一個(gè)設(shè)計(jì)良好的WLAN MIMO系統(tǒng)可以將有效覆蓋范圍提升八倍，同時(shí)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(shí)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(diǎn)對點(diǎn)連結(jié)(wireless backhaul)等特定應(yīng)用，但它們還是無法達(dá)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(cuò)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(gè)發(fā)射器只用了一個(gè)OFDM調(diào)制器。波形按照單個(gè)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(gè)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(diǎn)對點(diǎn)無線連結(jié)等特定應(yīng)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(luò)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(luò)提供一個(gè)可靠的環(huán)境。
波束成形雖然也能為某些應(yīng)用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴(yán)重不利因素卻不可忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點(diǎn)；可以支持的終端設(shè)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(qiáng)的信號和改善可靠性，接收天線在數(shù)個(gè)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(gè)天線來進(jìn)行信號接收，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項(xiàng)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(luò)應(yīng)用上，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)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(gè)問題是它可能會干擾到在同一網(wǎng)絡(luò)中的其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對鄰近無線網(wǎng)絡(luò)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(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其它設(shè)備的向下兼容性和互通操作性，而且不會對其他的網(wǎng)絡(luò)造成干擾。
MIMO的市場應(yīng)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(shí)保持與所有常用Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，使用3個(gè)5GHz和3個(gè)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(biāo)準(zhǔn)(包含TGi安全和TGe質(zhì)量的服務(wù)功能)。使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通信，甚至可以在以54Mbps的速率和802.11a設(shè)備通信的同時(shí)還能以108Mbps的速率和Airgo的設(shè)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(jìn)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(yīng)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(jìn)WLAN的吞吐量、傳輸距離和可靠性，使它成為無線通信領(lǐng)域中一項(xiàng)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(shí)時(shí)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(luò)連結(jié)速度能充分發(fā)揮其好處。使用者不用再因網(wǎng)絡(luò)連結(jié)速度慢、覆蓋范圍不足或連結(jié)不可靠而報(bào)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(rèn)為是雙天線分集的進(jìn)一步擴(kuò)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(gè)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(dǎo)MIMO天線系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用。近幾年來，還有許多機(jī)構(gòu)在研究基于MIMO天線系統(tǒng)的空時(shí)編碼技術(shù)，以期能降低設(shè)備的復(fù)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(jìn)。
MIMO已被用作定義IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。未來MIMO將廣泛地被用在Wi-Fi設(shè)備上，從家庭中的娛樂系統(tǒng)到多媒體服務(wù)器、手持式計(jì)算機(jī)或VoIP電話等設(shè)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(jī)應(yīng)用市場。
隨著IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)的完成并將正式被批準(zhǔn)， Wi-Fi聯(lián)盟已開始針對此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互連性認(rèn)證。MIMO系統(tǒng)最終會成為今日802.11a/b/g標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)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(yīng)用，這也為設(shè)備制造廠家提供了無限商機(jī)!
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