MIMO：一個以多次元傳輸方案提升傳輸容量的新技術
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當家庭寬帶網絡連結、HDTV無線實時傳播等不容許延遲且頻寬需求大的多媒體應用，以及娛樂設備分散和分享內容的應用愈來愈普遍時，無線通訊技術也被要求在有限頻譜的條件下提高其效能。
我們需要能更有效率地高速傳送高品質信號的技術，而這種技術又不能用到額外的波段頻寬。多進多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技術正是能克服信號衰落、干擾增加及有限頻譜等無線通訊挑戰(zhàn)的解決方案。它在不占用更多頻寬的情況下，除了能讓傳輸速率倍增，也同時能增加傳輸范圍和使用的穩(wěn)定性。
一個多次元傳輸方案
MIMO技術是一個能在單一射頻信道中收發(fā)兩個或多個資料信號流的技術。它采用多次元傳輸方案：通過一個單一射頻信道來收發(fā)兩個或多個的信號流，如此一來，無線通訊系統就能在一個信道中達到兩倍或兩倍以上的數據傳輸。在系統中，用一個以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線來傳送這些多重信號，同時也有一個以上高整合的射頻降頻器（downconverter）和天線來接收這些多重信號。采用MIMO技術，每個信道的最大數據傳輸速率將隨著信道中傳送的不同資料流數目而呈線性增長。
由于具有同時傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻譜的條件下讓無線信號的傳輸能力倍增。MIMO系統的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波信道中傳送的數據流數目而增加，也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“多次元信號”（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系統還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率（throughput-at-range）來增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統對“有效傳輸速率”（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”（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，獨立的測試顯示一個設計良好的WLAN MIMO系統可以將有效涵蓋范圍提升八倍，同時也能將有效傳輸速率提升六倍。
MIMO并非一般的智能型天線系統
其它一些多天線傳送及接收技術常常會和MIMO技術相混淆，這些技術包括發(fā)射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多樣性（receiver diversity）。這類技術雖然可以改善一般傳統一次元信號的覆蓋范圍，也很適合戶外點對點連結（wireless backhaul）等特定應用，但它們還是無法達到真正MIMO系統讓傳輸容量倍增的效果。
波束成形雖然能為某些應用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴重的負面因素卻不能被忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點、可以支持的終端設備數目會減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數目造成限制。
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，多樣性天線在數個天線間切換選擇，但由于沒有額外的信號處理，信號的品質并沒有改變。接收匯整技術的情況也很相似，它雖然能通過多個天線來進行信號處理，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項技術也不能增加數據傳輸速率或傳輸容量。
其它會和MIMO混淆的技術還包括數據壓縮（data compression）和射頻信道匯整（radio channel combining）。在多數的網絡應用上，數據壓縮技術實際上并沒有增加資料的傳輸速率；信道匯整技術則在許多國家（如日本）遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。信道匯整技術的另一個問題是它可能會干擾到在同一網絡中的其它網絡設備，這種會對鄰近無線網絡造成負面沖擊的情況，讓信道匯整常被視為是一種“壞鄰居”的技術。
與信道匯整技術不同的是，MIMO不需要增加射頻信道的使用數目就能達到更高的數據傳輸速率；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絡造成干擾。
MIMO讓信道的傳輸容量倍增并改善頻譜使用效益
在多天線技術中，MIMO是唯一能在系統的單一信道或每MHz頻段中，以兩倍或兩倍以上的峰值資料速率來提升頻譜效能（spectral capacity）的技術。舉例來說，在WLAN或Wi-Fi的應用中，MIMO能將17MHz頻寬中的傳輸速度一舉提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相較之下，802.11a/g即使采用了波束成形或多樣性技術，在17MHz頻寬中的峰值表現上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道匯整技術雖然也能達到108Mbps的傳輸速率，但它用了40MHz的頻寬，每MHz只能傳送2.7Mbps。因此，MIMO能比同樣采用多個“智能型”天線的其它系統具有至少二倍的傳送能力。
從Marconi到MIMO：開發(fā)多路徑傳播途徑
1895年時，Guglielmo Marconi首度改變了世人對于無線通訊的看法。他從一座山后送出第一道射頻信號，并在三公里外被接收，進而證實了無線通訊不需要直線對傳（line-of-site）。然而，在接下來的一百年當中，無線領域的專家認為多路徑的信號反射，也就是從多個路徑到達接收器的情況是造成射頻連結難以維持好品質的一項嚴重問題。
在20世紀90年代時，史丹佛大學的兩名研究生 － Greg Raleigh博士和VK Jones博士（兩人都是Airgo Networks的創(chuàng)始人）證實了射頻傳送的多路徑特性其實能提升射頻系統的傳輸能力。1996年，這個完全顛覆百年來射頻架構思考的新觀念首度在學術論文中以數學方式被證實。
這個革命性的作法把香農極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑信道傳送的MIMO系統上，它藉由射頻信號經由對象反彈后再由接收器分開來接收的所謂空間多任務 (Spatial Multiplexing) 原理來傳送比過去所能想象得到的可行方式還要多的信息。通過連結兩端的多重天線的使用和復雜的數字信號處理演算，MIMO確實運用多徑反射來改善效能—— 這可以稱得上是現代射頻架構的一次演進。
當家庭寬帶網絡連結、HDTV無線實時傳播等不容許延遲且頻寬需求大的多媒體應用，以及娛樂設備分散和分享內容的應用愈來愈普遍時，無線通訊技術也被要求在有限頻譜的條件下提高其效能。
我們需要能更有效率地高速傳送高品質信號的技術，而這種技術又不能用到額外的波段頻寬。多進多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技術正是能克服信號衰落、干擾增加及有限頻譜等無線通訊挑戰(zhàn)的解決方案。它在不占用更多頻寬的情況下，除了能讓傳輸速率倍增，也同時能增加傳輸范圍和使用的穩(wěn)定性。
一個多次元傳輸方案
MIMO技術是一個能在單一射頻信道中收發(fā)兩個或多個資料信號流的技術。它采用多次元傳輸方案：通過一個單一射頻信道來收發(fā)兩個或多個的信號流，如此一來，無線通訊系統就能在一個信道中達到兩倍或兩倍以上的數據傳輸。在系統中，用一個以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線來傳送這些多重信號，同時也有一個以上高整合的射頻降頻器（downconverter）和天線來接收這些多重信號。采用MIMO技術，每個信道的最大數據傳輸速率將隨著信道中傳送的不同資料流數目而呈線性增長。
由于具有同時傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻譜的條件下讓無線信號的傳輸能力倍增。MIMO系統的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波信道中傳送的數據流數目而增加，也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“多次元信號”（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系統還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率（throughput-at-range）來增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統對“有效傳輸速率”（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”（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，獨立的測試顯示一個設計良好的WLAN MIMO系統可以將有效涵蓋范圍提升八倍，同時也能將有效傳輸速率提升六倍。
MIMO并非一般的智能型天線系統
其它一些多天線傳送及接收技術常常會和MIMO技術相混淆，這些技術包括發(fā)射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多樣性（receiver diversity）。這類技術雖然可以改善一般傳統一次元信號的覆蓋范圍，也很適合戶外點對點連結（wireless backhaul）等特定應用，但它們還是無法達到真正MIMO系統讓傳輸容量倍增的效果。
波束成形雖然能為某些應用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴重的負面因素卻不能被忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點、可以支持的終端設備數目會減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數目造成限制。
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，多樣性天線在數個天線間切換選擇，但由于沒有額外的信號處理，信號的品質并沒有改變。接收匯整技術的情況也很相似，它雖然能通過多個天線來進行信號處理，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項技術也不能增加數據傳輸速率或傳輸容量。
其它會和MIMO混淆的技術還包括數據壓縮（data compression）和射頻信道匯整（radio channel combining）。在多數的網絡應用上，數據壓縮技術實際上并沒有增加資料的傳輸速率；信道匯整技術則在許多國家（如日本）遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。信道匯整技術的另一個問題是它可能會干擾到在同一網絡中的其它網絡設備，這種會對鄰近無線網絡造成負面沖擊的情況，讓信道匯整常被視為是一種“壞鄰居”的技術。
與信道匯整技術不同的是，MIMO不需要增加射頻信道的使用數目就能達到更高的數據傳輸速率；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絡造成干擾。
MIMO讓信道的傳輸容量倍增并改善頻譜使用效益
在多天線技術中，MIMO是唯一能在系統的單一信道或每MHz頻段中，以兩倍或兩倍以上的峰值資料速率來提升頻譜效能（spectral capacity）的技術。舉例來說，在WLAN或Wi-Fi的應用中，MIMO能將17MHz頻寬中的傳輸速度一舉提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相較之下，802.11a/g即使采用了波束成形或多樣性技術，在17MHz頻寬中的峰值表現上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道匯整技術雖然也能達到108Mbps的傳輸速率，但它用了40MHz的頻寬，每MHz只能傳送2.7Mbps。因此，MIMO能比同樣采用多個“智能型”天線的其它系統具有至少二倍的傳送能力。
從Marconi到MIMO：開發(fā)多路徑傳播途徑
1895年時，Guglielmo Marconi首度改變了世人對于無線通訊的看法。他從一座山后送出第一道射頻信號，并在三公里外被接收，進而證實了無線通訊不需要直線對傳（line-of-site）。然而，在接下來的一百年當中，無線領域的專家認為多路徑的信號反射，也就是從多個路徑到達接收器的情況是造成射頻連結難以維持好品質的一項嚴重問題。
在20世紀90年代時，史丹佛大學的兩名研究生 － Greg Raleigh博士和VK Jones博士（兩人都是Airgo Networks的創(chuàng)始人）證實了射頻傳送的多路徑特性其實能提升射頻系統的傳輸能力。1996年，這個完全顛覆百年來射頻架構思考的新觀念首度在學術論文中以數學方式被證實。
這個革命性的作法把香農極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑信道傳送的MIMO系統上，它藉由射頻信號經由對象反彈后再由接收器分開來接收的所謂空間多任務 (Spatial Multiplexing) 原理來傳送比過去所能想象得到的可行方式還要多的信息。通過連結兩端的多重天線的使用和復雜的數字信號處理演算，MIMO確實運用多徑反射來改善效能—— 這可以稱得上是現代射頻架構的一次演進。
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