MIMO：商机无限的无线宽带通讯新技术

MIMO：商机无限的无线宽带通讯新技术

   随着无线通信技术的飞速发展，人们对无线局域网性能和数据速率的要求也越来越高。在未来的无线宽带通信系统中，存在着两个最严峻的挑战：信道多径衰落和频谱效率。作为无线宽带通信的基础技术--正交频分复用(OFDM)能够解决多径衰落问题，在带宽和功率不受限的情况下能够实现人们期待的高速率，但对带宽和功率受限的无线局域网系统就不太适合了。而多入多出(MIMO)技术能能够在空间中产生独立的并行信道，同时传输多路数据流，这样就有效地提高了系统的传输速率，即在不增加系统带宽的情况下增加频谱效率。因此MIMO与OFDM的结合将成为适应下一代无线局域网发展要求的关键技术，在未来几年中，该技术的相关研究工作将进一步受到重视，特别在无线局域网领域的应用研究将成为热点。二者相辅相成，催生了无线宽带通信技术广阔市场。 

    那么到底什么是MIMO技术呢？

   MIMO就是MulTIple Input MulTIple Output的缩写，顾名思义是多输入、多输出的意思。无线网络通信数据通过多重切割之后，经过多重天线进行同步传送；由于无线信号在传送的过程中，易受多种因素的影响和干扰，会走不同的反射或穿越路径，因此到达接收端的时间不一致。为了避免数据不同步而无法重新组合，接收端由多重天线接收，对接收信号利用DSP重新计算的方式，根据时间差的因素，将分开的数据重新组合后输出正确且快速的数据流。由于无线传送的数据经过分割传送，不仅单一数据流量降低，可延长传送距离，而且还拓展了天线接收范围。因此MIMO技术不仅可以加快既有无线网络频谱的数据传输速率，又不用额外占用频谱，更重要的是，还能延长信号接收距离。从这个角度讲，MIMO无疑相当于给无线传输开辟了多条车道，同时又保证了高速度和高效率，真正让无线通信驶上了信息高速公路。

    MIMO技术是如何运作的呢？

   在图1中简要说明了MIMO运作的方式。 
         

图1 MIMO系统的运作方式

    MIMO系统将一个数据流分为数个数据流；2. 每个数据流被模块化编码；3. 通过不同的射频天线链，同时在同一频率信道中被传送；4. 经由多径反射后，每一个接收天线射频链都有多个传送数据流的线性汇整；5. 在接收器中使用MIMO算法将这些数据流分开，算法是依每个发射器和接收器之间的所有信道来做估算。

       
    每个多径路线可以被视为是创建多重“虚拟线路”的单个信道，它们都能用来传送信号。MIMO的多个空间性分离的天线可以充分利用由多径创建的虚拟线路，并传送更多数据。除了让传输速率倍增外，由于每个接收天线对于单个传送数据流都进行计算，传输范围也因此能增加，这也是天线多样性的一种优点。

       
    图2示出一个基本的MIMO-OFDM发射器流程。图中显示主要的处理模块包括数字(绿色)、模拟(黄色)和混合信号(蓝色)等功能。有两个发射器天线和两组在一起的OFDM调制器、数字-模拟转换器(DAC)、模拟调制器(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模拟链(DAC和RF电路)及全向性天线组成的数字调制器，因此， MIMO-OFDM的传输和两个在相同信道中同步的OFDM传输是完全一样的，只不过传送的是不同的数字资料。
 

图2 MIMO-OFDM 发射器的基本架构

     如图2所示，信息源杂散化之后，以冗余前向纠错(FEC，Forward Error CorrecTIon redundancy)的方式作编码。为了让这些编码位的传送次序随机化，这些编码过的位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被随机送到不同的OFDM调制器，每个调制器再将编码位往后送到发射处理链及天线。

     MIMO与其他无线通信传输技术的比较

       
    MIMO技术是一个能在单一射频信道中收发两个或多个数据信号流的技术。它采用多维传输方案，通过一个单一射频信道来收发两个或多个的信号流，系统能在一个信道中达到两倍或两倍以上的数据传输。在系统中，用一个以上高整合的射频上变频器和天线来传送这些多重信号，同时也有一个以上高整合的射频下变频器和天线来接收这些多重信号。总的来说，MIMO系统就是利用多天线抑制信道衰落的系统。根据收发两端天线数量，相对于普通的SISO(单进单出)系统，MIMO还可以包括SIMO(单进多出)系统和MISO(多进单出)系统。采用MIMO技术，每个信道的最大数据传输速率将随着信道中传送的不同数据流数目而呈线性增长。

       
    由于具有同时传送多重数据流的能力，MIMO可以在不增加额外频谱的条件下让无线信号的传输能力倍增。MIMO系统的峰值传输速率随射频微波信道中传送的数据流数目而增加。因为在不同的天线和信道中传送多重信号，MIMO信号有时也被称为“多维信号”(mulTI-dimensional
signal)。

       
    除了让相同信道中的信号速率倍增外，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(吞吐量)(throughput-at-range)来增加覆盖范围和稳定性。MIMO系统对“有效传输速率(吞吐量)”(effective throughput，距发射器特定距离所测量到的传输速率)的提升比对“峰值传输速率(吞吐量)”(peak throughput，距发射器很近的地方测量到的传输速率)的提升效果还要好，独立测试显示一个设计良好的WLAN MIMO系统可以将有效覆盖范围提升八倍，同时也能将有效传输速率提升六倍。

    其他一些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有时被称为“智能型天线”)和接收多样性(receiver diversity)。这类技术虽然可以改善一般传统一维信号的覆盖范围，也很适合户外点对点连结(wireless backhaul)等特定应用，但它们还是无法达到真正MIMO系统让传输容量倍增的效果。

       
     图3所示的是发射器数字信号处理部分的双天线波束成形(智能型天线)系统，信息数据被编码和插入OFDM载波中，在该情况下的交错器(Interleaver)并非将编码过的位送到不同的天线，而只是送到不同的频率中，这个发射器只用了一个OFDM调制器。波形按照单个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可能会有不同的相位和振幅值。

 

图3 OFDM 发射波束成形的基本架构

       
    虽然对于户外点对点无线连结等特定应用来说，这样的做法有其优势，但它并不能增加无线网络的整体传输速率，也不能为家庭及办公室的多用户无线网络提供一个可靠的环境。

       
    波束成形虽然也能为某些应用提供更广的传送范围，但它的一些严重不利因素却不可忽视，例如会造成一些隐蔽节点；可以支持的终端设备数目会减少；以及其高功耗的限制对射频传送器的数目造成限制。我们再来看看接收多样性(antenna diversity)方案，为了接收最强的信号和改善可靠性，接收天线在数个多样性天线间切换选择，但由于没有额外的信号处理，信号的品质并没有提升。接收整合技术的情况也很相似，它虽然能通过多个天线来进行信号接收，但因信号衰减和多径反射的影响，这项技术也不能增加数据传输速率或传输容量。

    其他会和MIMO混淆的技术还包括数据压缩(data compression)和射频信道整合(radio channel
combining)。在多数的网络应用上，数据压缩技术实际上并没有增加数据的传输速率；信道整合技术则在许多国家(如日本)遭遇到频段未开放而不能合法使用的问题。信道整合技术的另一个问题是它可能会干扰到在同一网络中的其他网络设备，对邻近无线网络造成不利的冲击。

       
    与信道整合技术不同的是，MIMO不需要增加射频信道的使用数目就能达到更高的数据传输速率；不仅如此，MIMO具有与其它设备的向下兼容性和互通 *** 作性，而且不会对其他的网络造成干扰。

    MIMO的市场应用前景

        
    对于无线通讯领域来说，人们一直在寻求能达到更高传输速率、更广的覆盖范围和更可靠的解决方案，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。基于这样的技术优势，许多厂商纷纷致力于基于MIMO技术的无线网络产品的研发以及新一代移动通信系统的研究，使MIMO技术得到了有力推动。

    早在2003年8月，AirgoNetworks就推出了AGN100 Wi-Fi芯片组，并称其是世界上第一款集成了MIMO技术的批量上市产品。AGN100使用该公司的多天线传输和接收技术，将Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps，同时保持与所有常用Wi-Fi标准的兼容性，使用3个5GHz和3个2.4GHz天线。该芯片支持所有的802.11a、b和g模式，包括IEEE802.11工作组推出的最新标准(包含TGi安全和TGe质量的服务功能)。使用Airgo芯片组的无线设备可以和以前的802.11设备通信，甚至可以在以54Mbps的速率和802.11a设备通信的同时还能以108Mbps的速率和Airgo的设备通信。凭借在提高系统频谱利用率方面卓越的性能表现，MIMO技术已在移动通信技术发展进程中倍受关注。目前MIMO芯片发展十分迅速，三星电子也宣布，即将推出两款内建MIMO的笔记本电脑，这是MIMO首次应用于笔记本电脑，这再次证明了MIMO在市场上的高接受度与成长性。

       
    MIMO可以改进WLAN的吞吐量、传输距离和可靠性，使它成为无线通信领域中一项关键的技术。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信息，例如HDTV无线实时传播。它也为企业或家庭提供了在更大覆盖范围中更可靠及更高速率的传输，而且让不断提升的网络连结速度能充分发挥其好处。使用者不用再因网络连结速度慢、覆盖范围不足或连结不可靠而报怨。在3GPP的高速下行分组接入方案中提出了基于MIMO技术的天线系统，这种系统在发送和接收方都有多副天线，可以认为是双天线分集的进一步扩展。但MIMO还引入编码重用(Codere-use)方法，用相同的信道编码和扰码调制多个不同的数据流，充分利用了移动通信空间资源。目前，朗讯、松下和NTTDoCoMo等公司都在积极倡导MIMO天线系统技术的应用。近几年来，还有许多机构在研究基于MIMO天线系统的空时编码技术，以期能降低设备的复杂度、提高处理能力，朝着最大程度利用空间资源的发展方向前进。

    MIMO已被用作定义IEEE
    802.11n标准的基础。未来MIMO将广泛地被用在Wi-Fi设备上，从家庭中的娱乐系统到多媒体服务器、手持式计算机或VoIP电话等设备中都可以发现MIMO。不仅如此，MIMO在频谱效率和效能表现上的优势，让它也很适合被用于广域无线的手机应用市场。

     随着IEEE 802.11n标准的完成并将正式被批准， Wi-Fi联盟已开始针对此标准进行互连性认证。MIMO系统最终会成为今日802.11a/b/g标准的强大且完全兼容的技术延伸，并能保留现有Wi-Fi系统的完整功能，由于其能为使用者提供市场上最佳的无线传输解决方案而被广泛应用，这也为设备制造厂家提供了无限商机!