MIMO：商機(jī)無(wú)限的無(wú)線寬帶通訊新技術(shù)

MIMO：商機(jī)無(wú)限的無(wú)線寬帶通訊新技術(shù)

?? 隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線局域網(wǎng)性能和數(shù)據(jù)速率的要求也越來(lái)越高。在未來(lái)的無(wú)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(wú)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(wèn)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(duì)帶寬和功率受限的無(wú)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(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展要求的關(guān)鍵技術(shù)，在未來(lái)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(wú)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(wú)線寬帶通信技術(shù)廣闊市場(chǎng)。?

????那么到底什么是MIMO技術(shù)呢？

?? MIMO就是Multiple Input Multiple Output的縮寫(xiě)，顧名思義是多輸入、多輸出的意思。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)通過(guò)多重切割之后，經(jīng)過(guò)多重天線進(jìn)行同步傳送；由于無(wú)線信號(hào)在傳送的過(guò)程中，易受多種因素的影響和干擾，會(huì)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(wú)法重新組合，接收端由多重天線接收，對(duì)接收信號(hào)利用DSP重新計(jì)算的方式，根據(jù)時(shí)間差的因素，將分開(kāi)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(wú)線傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分割傳送，不僅單一數(shù)據(jù)流量降低，可延長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)信號(hào)接收距離。從這個(gè)角度講，MIMO無(wú)疑相當(dāng)于給無(wú)線傳輸開(kāi)辟了多條車道，同時(shí)又保證了高速度和高效率，真正讓無(wú)線通信駛上了信息高速公路。

????MIMO技術(shù)是如何運(yùn)作的呢？

???在圖1中簡(jiǎn)要說(shuō)明了MIMO運(yùn)作的方式。?
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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(guò)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(kāi)，算法是依每個(gè)發(fā)射器和接收器之間的所有信道來(lái)做估算。

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??? 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(lái)傳送信號(hào)。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(duì)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)。

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??? 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(hào)(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(lái)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(guò)傳送的是不同的數(shù)字資料。
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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(guò)的位會(huì)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(wú)線通信傳輸技術(shù)的比較

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??? MIMO技術(shù)是一個(gè)能在單一射頻信道中收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)流的技術(shù)。它采用多維傳輸方案，通過(guò)一個(gè)單一射頻信道來(lái)收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)的信號(hào)流，系統(tǒng)能在一個(gè)信道中達(dá)到兩倍或兩倍以上的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)中，用一個(gè)以上高整合的射頻上變頻器和天線來(lái)傳送這些多重信號(hào)，同時(shí)也有一個(gè)以上高整合的射頻下變頻器和天線來(lái)接收這些多重信號(hào)。總的來(lái)說(shuō)，MIMO系統(tǒng)就是利用多天線抑制信道衰落的系統(tǒng)。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量，相對(duì)于普通的SISO(單進(jìn)單出)系統(tǒng)，MIMO還可以包括SIMO(單進(jìn)多出)系統(tǒng)和MISO(多進(jìn)單出)系統(tǒng)。采用MIMO技術(shù)，每個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率將隨著信道中傳送的不同數(shù)據(jù)流數(shù)目而呈線性增長(zhǎng)。

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??? 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(wú)線信號(hào)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(hào)，MIMO信號(hào)有時(shí)也被稱為“多維信號(hào)”(multi-dimensional
signal)。

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??? 除了讓相同信道中的信號(hào)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(lái)增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統(tǒng)對(duì)“有效傳輸速率(吞吐量)”(effective throughput，距發(fā)射器特定距離所測(cè)量到的傳輸速率)的提升比對(duì)“峰值傳輸速率(吞吐量)”(peak throughput，距發(fā)射器很近的地方測(cè)量到的傳輸速率)的提升效果還要好，獨(dú)立測(cè)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(huì)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(hào)的覆蓋范圍，也很適合戶外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連結(jié)(wireless backhaul)等特定應(yīng)用，但它們還是無(wú)法達(dá)到真正MIMO系統(tǒng)讓傳輸容量倍增的效果。

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???? 圖3所示的是發(fā)射器數(shù)字信號(hào)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(guò)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(huì)有不同的相位和振幅值。

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圖3 OFDM 發(fā)射波束成形的基本架構(gòu)

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??? 雖然對(duì)于戶外點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線連結(jié)等特定應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這樣的做法有其優(yōu)勢(shì)，但它并不能增加無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)可靠的環(huán)境。

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??? 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(huì)造成一些隱蔽節(jié)點(diǎn)；可以支持的終端設(shè)備數(shù)目會(huì)減少；以及其高功耗的限制對(duì)射頻傳送器的數(shù)目造成限制。我們?cè)賮?lái)看看接收多樣性(antenna diversity)方案，為了接收最強(qiáng)的信號(hào)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(méi)有額外的信號(hào)處理，信號(hào)的品質(zhì)并沒(méi)有提升。接收整合技術(shù)的情況也很相似，它雖然能通過(guò)多個(gè)天線來(lái)進(jìn)行信號(hào)接收，但因信號(hào)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(huì)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(méi)有增加數(shù)據(jù)的傳輸速率；信道整合技術(shù)則在許多國(guó)家(如日本)遭遇到頻段未開(kāi)放而不能合法使用的問(wèn)題。信道整合技術(shù)的另一個(gè)問(wèn)題是它可能會(huì)干擾到在同一網(wǎng)絡(luò)中的其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，對(duì)鄰近無(wú)線網(wǎng)絡(luò)造成不利的沖擊。

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??? 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(huì)對(duì)其他的網(wǎng)絡(luò)造成干擾。

????MIMO的市場(chǎng)應(yīng)用前景

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????對(duì)于無(wú)線通訊領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，人們一直在尋求能達(dá)到更高傳輸速率、更廣的覆蓋范圍和更可靠的解決方案，MIMO為這樣的需求提供了一個(gè)創(chuàng)新的方案，而且不需要使用更多的頻譜?；谶@樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，許多廠商紛紛致力于基于MIMO技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的研發(fā)以及新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究，使MIMO技術(shù)得到了有力推動(dòng)。

????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(wú)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(dòng)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(chǎng)上的高接受度與成長(zhǎng)性。

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??? MIMO可以改進(jìn)WLAN的吞吐量、傳輸距離和可靠性，使它成為無(wú)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(shì)下，WLAN可以用來(lái)傳送不容許延遲、需要大量頻寬的多媒體信息，例如HDTV無(wú)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(dòng)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(lái)，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(lái)MIMO將廣泛地被用在Wi-Fi設(shè)備上，從家庭中的娛樂(lè)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(shì)，讓它也很適合被用于廣域無(wú)線的手機(jī)應(yīng)用市場(chǎng)。

???? 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(kāi)始針對(duì)此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互連性認(rèn)證。MIMO系統(tǒng)最終會(huì)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(chǎng)上最佳的無(wú)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(wú)限商機(jī)!