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由于多重輸入多重輸出(multiple-input, multiple-output；MIMO)的技術(shù)提供了一個擴(kuò)展無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)范圍的極佳方式，因而最近成為了焦點(diǎn)。MIMO技術(shù)始于1985年，但直到現(xiàn)在才應(yīng)用于晶片層級的裝置，以大幅改善傳輸范圍與容量。
由于MIMO并不是單一概念，而是由多種無線射頻技術(shù)所組成，因此我們必須充份了解MIMO的運(yùn)作和效能。當(dāng)應(yīng)用于WLAN時，有些MIMO技術(shù)能與現(xiàn)時的WLAN標(biāo)準(zhǔn)(如802.11a、802.11b與802.11g)相容，因而能擴(kuò)充其傳輸范圍；相反，有些MIMO技術(shù)則只能用于與一般WLAN標(biāo)準(zhǔn)不相容的MIMO裝置。
“MIMO”一詞泛指任何在傳送器部分具有多重輸入，與在接收器部分具多重輸出的系統(tǒng)，(圖1)闡述了其基本概念。根據(jù)MIMO改良者Jack Salz在1965年觀察發(fā)現(xiàn)，雖然MIMO系統(tǒng)可能包含有線連結(jié)的裝置，但整個系統(tǒng)通常是無線系統(tǒng)，例如多重天線系統(tǒng)、3G行動電話系統(tǒng)(無線系統(tǒng))中所使用的Code Division Multiple Access(CDMA)系統(tǒng)，甚至是使用多條電話線產(chǎn)生串音(crosstalk)的DSL系統(tǒng)(有線系統(tǒng))。
本文將先介紹MIMO的歷史背景和運(yùn)作，并討論MIMO能將WLAN傳輸范圍擴(kuò)充的程度。
MIMO 20年的開發(fā)進(jìn)程
MIMO在無線通訊的起源可追溯至1984年，當(dāng)時任職于Bell Laboratories的Jack Winters有了突破性的開發(fā)進(jìn)展。這位MIMO的先驅(qū)道出了利用傳送器與接收器的多重天線，把多個使用者所傳來的資料以相同的頻率/時間通道傳輸。
在1985年，Bell Laboratories的Jack Salz發(fā)表了一篇關(guān)于MIMO在有線通訊應(yīng)用的研究報告，之后便有多位學(xué)者與相關(guān)研究人員投入MIMO的領(lǐng)域并發(fā)表研究報告。值得注意的是，Jack Winters將Salz于1985的報告加以擴(kuò)充，應(yīng)用至無線通訊領(lǐng)域，證明使用者可以透過傳輸器與接收器的多重天線來同時無線傳輸多個資料流。
為了滿足強(qiáng)烈的市場需求，現(xiàn)今許多WLAN、Wi-Max與行動通訊公司均已提供(或計劃提供)以MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)的解決方案。MIMO具有多項功能，如傳輸波束成形(Transmit Beamforming)/最高比結(jié)合(Maximal Ratio Combining；MRC)、空間多工(spatial multiplexing)與時空編碼(space-time coding)。
無線市場的領(lǐng)導(dǎo)廠商如Intel、Cisco、Qualcomm、Samsung、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Toshiba、Sony與Atheros共同合作，開發(fā)出多項可相互運(yùn)作且可擴(kuò)充的WLAN MIMO技術(shù)。這些領(lǐng)導(dǎo)廠商將共同努力為消費(fèi)者帶來廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。
MIMO技術(shù)優(yōu)勢
為何MIMO如此具有吸引力？透過增加傳輸器與接收器的天線數(shù)量，MIMO可以提升資料傳輸率，并提供更大的覆蓋率與傳輸范圍�？墒牵琈IMO并不是那種一體適用(one-size-fits-all)的技術(shù)。MIMO能增加資料傳輸率，但也要視乎設(shè)計工程師會否應(yīng)用。如何選擇合適的MIMO工具，則要視操作環(huán)境與所采用的系統(tǒng)種類而定。
在過去20年來，許多MIMO的技術(shù)與應(yīng)用均相當(dāng)成功，其中包含：
·傳輸波束成形/最高比結(jié)合(Transmit beamforming/maximal ratio combining)
·空間多工(Spatial multiplexing)
·時空編碼(Space-time coding)
■傳輸效能加倍
傳輸波束成形(圖2)是一種傳輸器的技術(shù)，在傳輸器與接收器之間，以功率最強(qiáng)的路徑來傳輸資料(vanVeen88, Spencer04)。透過精密的運(yùn)算法，傳輸器可以驅(qū)動多個天線，因而能把大部分的射頻功率集中傳輸至接收器。因此，整個裝置能達(dá)到最高的傳輸效能。
在執(zhí)行傳輸波束成形時，需要使用兩個或更多的功率放大器與天線，以相位移運(yùn)算法(phase-shifting algorithm)控制，集中把射頻功率傳輸至接收器。透過這種方式，有效傳輸功率(effective transmit power)的提升幅度是傳輸天線數(shù)的平方，例如若有兩個傳輸射頻，其有效傳輸效率將變成四倍。
要達(dá)到上述的效率成長，主要有兩個因素：功率提升與陣列提升。功率提升在于多重的傳輸天線在空氣中傳輸資料，由于天線數(shù)量增加，整體的功率也隨之提升。而陣列提升是因為所傳輸?shù)墓β始杏谕粋�方向，因此能減少浪費(fèi)在其它方向的功率。如果使用兩個天線來進(jìn)行傳輸，傳輸至接收器的整體功率就增加1倍。因此，當(dāng)結(jié)合這兩項因素時，有效傳輸功率便能凈增4倍。
傳輸波束的方向集中過程可以依據(jù)傳輸通道的頻率特性來調(diào)整。如(圖3)所示，如果傳輸波束成形系統(tǒng)從接收裝置收到至少一個封包，系統(tǒng)便能掌握通道反應(yīng)(不論是在傳送或接收端，也可以應(yīng)用同樣的通道反應(yīng))，以調(diào)整所傳送訊號的相位，以便接收器天線收到訊號之后，能依據(jù)各組頻率將資料做有意義的整合。這種方法可以降低多重路徑的影響，甚至在傳輸資料到非MIMO裝置時也有同樣效果。
MIMO傳輸器能大幅擴(kuò)大傳輸范圍，讓更遠(yuǎn)的接收器也能收到高頻寬的訊號。因此，對面積大的居家或辦公室環(huán)境，MIMO能提供更佳的覆蓋率。MIMO的傳輸器讓使用者能在訊號范圍極限之內(nèi)仍可接收訊號，令WLAN的設(shè)定變得更加容易。
■接收效能加倍
最高比結(jié)合(MRC)是一項接收器技術(shù)，能將來自不同天線的訊號一致地整合(見圖4)。MRC能改善接收訊號的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio；SNR)，而改善的程度則與所使用天線的數(shù)量成正比。多重接收器不僅增加的接受功率，同時也透過個別整合每個頻率元件的接受訊號，降低多重通道的影響。這過程稱為“副載波最高比結(jié)合”(subcarrier-based maximal ratio combining)，可大幅提升整體增益，特別是在多重路徑的環(huán)境中。如先前(圖3)所示，在多重路徑環(huán)境中，訊號經(jīng)過多個物體產(chǎn)生反射，造成兩個天線會接收到不同特征的訊號，或是其中一個天線對某些頻率的訊號接收不清楚。
MRC將天線所接收的各頻率訊號整合起來，進(jìn)而增加訊號的功率。若訊號的強(qiáng)度相若，接受器便會選擇性地結(jié)合其訊號強(qiáng)度，故此即使只使用兩個天線，還能把頻率功率增加一倍。
Receive Combining不能跟天線分集(antenna diversity)混為一談。天線分集不會依據(jù)不同的頻率中不同訊號的強(qiáng)度或從使用兩個天線增強(qiáng)了的訊號強(qiáng)度而選擇訊號元件。采用天線分集的接收器只會選擇提供最佳效能的天線，而第二個天線則置之不用。雖然比起沒有任何天線分集而言，此技術(shù)的確有其優(yōu)點(diǎn)，但依然無法降低多重通道的干擾或提升訊號品質(zhì)。
值得注意的是，即使傳輸器沒有采用MIMO技術(shù)，依然能享有接收器中MCR功能所帶來的好處。在現(xiàn)有的裝置中，如熱點(diǎn)的存取點(diǎn)、家庭網(wǎng)絡(luò)閘道、桌上型與筆記型電腦等，其傳輸器都與這種MIMO技術(shù)完全相容。這技術(shù)也可以應(yīng)用在2.4 and 5GHz頻譜上，改善所有802.11a與802.11g標(biāo)準(zhǔn)裝置的效能。與其它技術(shù)不同的是，即使只是在無線連結(jié)的一端采用receive combining技術(shù)，亦能提升整體效能。
■增加傳輸和接收的效能
當(dāng)結(jié)合傳輸波束成形與MRC和使用多重傳輸與接收的天線時，便能成為一個MIMO系統(tǒng)(見圖5)。傳輸波束成形/MRC可大幅改善系統(tǒng)效能。更重要的是，這樣的結(jié)合能與所有終端裝置完全整合，確保使用這些技術(shù)的系統(tǒng)(如無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò))的相互運(yùn)作性與可靠性。由于使用在802.11的MIMO應(yīng)用還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，目前能提供可靠與穩(wěn)定效能的pre-standard解決方案，只有那些使用傳輸波束成形/MRC技術(shù)的解決方案，如Atheros與其OEM客戶目前所提供的VLocity MIMO解決方案。
目前業(yè)界已開發(fā)出一種獨(dú)立技術(shù)，名為空間多工(spatial multiplexing)(見圖6)，在傳輸器與接收器之間傳輸兩個或更多的獨(dú)立資料流，進(jìn)而增加資料傳輸率。這項技術(shù)自1987年開發(fā)。由于此技術(shù)使用并流的多重獨(dú)立資料流，而傳統(tǒng)系統(tǒng)的設(shè)計只能接受單一資料流，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)了無法將訊號解碼的問題。
要使用空間多工，必須有已知的引導(dǎo)(preamble)或訓(xùn)練序列(training sequence)，讓接收器可以學(xué)習(xí)如何分隔重疊的資料流。此外，大多數(shù)系統(tǒng)會將接受器的回應(yīng)整合至傳輸器，做為選擇適當(dāng)操作模式的參考。這就是為何使用空間多工的WLAN pre-standard解決方案可能無法與預(yù)計于2006年初推出的802.11n標(biāo)準(zhǔn)相容。我們在下一段將進(jìn)一步說明。此外，根據(jù)研究指出【MobPipe04】，當(dāng)這些裝置要以與標(biāo)準(zhǔn)相容的非MIMO模式進(jìn)行溝通時，將無法相互運(yùn)作。即使沒有這些問題，現(xiàn)行采用802.11a/b/11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN系統(tǒng)，其設(shè)計是針對非空間多工標(biāo)準(zhǔn)，因此使用空間多工并無法提升效能。
時空編碼(space-time coding)則是在傳輸器不知情的情況下，運(yùn)用傳輸與接收器之間不同路徑的技術(shù)。若傳輸器與接收器的設(shè)計加以配合，時空編碼是個較容易執(zhí)行的機(jī)制。此外，時空編碼也是3G行動電話系統(tǒng)所使用的技術(shù)。但由于此技術(shù)不需要了解訊號路徑，因此其資料傳輸率比傳輸波束成形/MRC以及空間分工還低。時空編碼通常需要多個傳輸天線，而接收天線則是一個或多個皆可。
在過去20年來，這些MIMO的衍生技術(shù)，不論是個別或整合運(yùn)用，已大幅改善無線及有線系統(tǒng)的效能。例如行動電話業(yè)者便積極推動時空編碼，而雷達(dá)解決方案與固定無線系統(tǒng)則廣泛使用傳輸波束成形。
802.11n將為未來WLAN定義MIMO
隨著WLAN在全球廣泛運(yùn)用，消費(fèi)者與企業(yè)越來越依賴此網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作，進(jìn)行重要的商業(yè)活動或是處理敏感的個人事務(wù)。因此，任何新型的WLAN技術(shù)，都必須遵守經(jīng)業(yè)界認(rèn)同且支援的標(biāo)準(zhǔn)。透過這些標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)者可以避免現(xiàn)時的WLAN設(shè)備與新一代產(chǎn)品無法相互操作。
因此，所有WLAN業(yè)者正協(xié)調(diào)以制訂出在WLAN應(yīng)用的MIMO標(biāo)準(zhǔn)。此套標(biāo)準(zhǔn)名為802.11n，預(yù)定在2006年才會出爐，并在2007年才會確認(rèn)。跟其它類似的標(biāo)準(zhǔn)一樣，如果在最后確定標(biāo)準(zhǔn)之前，便提供pre-standard的產(chǎn)品，可能會與最后建議的標(biāo)準(zhǔn)不相容，導(dǎo)致顧客在財務(wù)或產(chǎn)品相互操作上有短期或長期的嚴(yán)重?fù)p失。
在合作制訂802.11n標(biāo)準(zhǔn)草案的兩個組織中，TGn Sync聯(lián)盟不僅成員數(shù)目最多(包含Atheros)，而且廠商的種類也較廣。其成員均是無線市場的主要廠商，包含消費(fèi)電子產(chǎn)品/個人電腦、行動通訊、半導(dǎo)體、商業(yè)與研究界等。
由于成員組成多元化，所提供的意見便能較為均衡，可滿足無線市場的不同需求。TGn Sync聯(lián)盟成員正共同努力，以確認(rèn)802.11n標(biāo)準(zhǔn)中最合適的方式。由于獲得廣泛的支持，從種種跡象顯示，TGn Sync所提出的802.11n標(biāo)準(zhǔn)建議案將獲得802.11標(biāo)準(zhǔn)委員會所采用(在2005年1月的IEEE會議中，超過一半以上的委員投票支持TGn Sync的提議案)。
Atheros的MIMO技術(shù)-VLocity
MIMO技術(shù)的其中一個例子是Atheros的VLocity技術(shù)。VLocity采用所有上述的MIMO技術(shù)，且與現(xiàn)有的802.11標(biāo)準(zhǔn)完全相容。如上文所述，這些MIMO技術(shù)可以將效能提升數(shù)倍，即使只使用一個VLocity裝置來與非MIMO的802.11a/b/g裝置來溝通也能提升效能。
倘若在無線連結(jié)的兩端使用VLocity裝置，效能的提升便更為顯著。在兩個不同環(huán)境進(jìn)行測量效能的提升幅度：一個是開放空間的環(huán)境(測量兩個裝置之間視線范圍的效能)，而另一個則具有多重路徑干擾特征的環(huán)境，如一般的家庭或辦公室等。表2顯示VLocity測試結(jié)果。結(jié)果顯示，若以dB來計算網(wǎng)絡(luò)效能改善服務(wù)，比起非VLocity裝置，VLocity技術(shù)的效能較佳。多3dB就等于有效功率多了一倍，如100-mW的傳輸器則會有200mW的訊號功率。
在追求效能提升與回溯相容的同時，使用者須要小心選擇MIMO產(chǎn)品，以確保這些產(chǎn)品能提供預(yù)期的結(jié)果。目前市面上與現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)完全相容的MIMO產(chǎn)品，如Atheros的VLocity解決方案，可以大幅改善WLAN的資料傳輸率與傳輸范圍。(本文由Atheros Communications公司提供，作者William McFarland/現(xiàn)為該公司首席技術(shù)官)
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