多重輸入多重輸出傳輸器技術(shù)

    由于多重輸入多重輸出(multiple-input, multiple-output；MIMO)的技術(shù)提供了一個(gè)擴(kuò)展無(wú)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(jí)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(wú)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(shí)，有些MIMO技術(shù)能與現(xiàn)時(shí)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(gè)系統(tǒng)通常是無(wú)線系統(tǒng)，例如多重天線系統(tǒng)、3G行動(dòng)電話系統(tǒng)(無(wú)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(kāi)發(fā)進(jìn)程

　　MIMO在無(wú)線通訊的起源可追溯至1984年，當(dāng)時(shí)任職于Bell Laboratories的Jack Winters有了突破性的開(kāi)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(gè)使用者所傳來(lái)的資料以相同的頻率/時(shí)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(bào)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(bào)告。值得注意的是，Jack Winters將Salz于1985的報(bào)告加以擴(kuò)充，應(yīng)用至無(wú)線通訊領(lǐng)域，證明使用者可以透過(guò)傳輸器與接收器的多重天線來(lái)同時(shí)無(wú)線傳輸多個(gè)資料流。

　　為了滿足強(qiáng)烈的市場(chǎng)需求，現(xiàn)今許多WLAN、Wi-Max與行動(dòng)通訊公司均已提供(或計(jì)劃提供)以MIMO技術(shù)為基礎(chǔ)的解決方案。MIMO具有多項(xiàng)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(shí)空編碼(space-time coding)。

　　無(wú)線市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)廠商如Intel、Cisco、Qualcomm、Samsung、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Toshiba、Sony與Atheros共同合作，開(kāi)發(fā)出多項(xiàng)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(lái)廣為接受的標(biāo)準(zhǔn)解決方案。

　　MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)

　　為何MIMO如此具有吸引力？透過(guò)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�，MIMO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(jì)工程師會(huì)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(guò)去20年來(lái)，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(shí)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(lái)傳輸資料(vanVeen88, Spencer04)。透過(guò)精密的運(yùn)算法，傳輸器可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)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(gè)裝置能達(dá)到最高的傳輸效能。

　　在執(zhí)行傳輸波束成形時(shí)，需要使用兩個(gè)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(guò)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(gè)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(zhǎng)，主要有兩個(gè)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?yàn)樗鶄鬏數(shù)墓β始�中于同一個(gè)方向，因此能減少浪費(fèi)在其它方向的功率。如果使用兩個(gè)天線來(lái)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(xiàng)因素時(shí)，有效傳輸功率便能凈增4倍。

　　傳輸波束的方向集中過(guò)程可以依據(jù)傳輸通道的頻率特性來(lái)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(gè)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(hào)的相位，以便接收器天線收到訊號(hào)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(shí)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(hào)。因此，對(duì)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(hào)范圍極限之內(nèi)仍可接收訊號(hào)，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(xiàng)接收器技術(shù)，能將來(lái)自不同天線的訊號(hào)一致地整合(見(jiàn)圖4)。MRC能改善接收訊號(hào)的訊號(hào)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(shí)也透過(guò)個(gè)別整合每個(gè)頻率元件的接受訊號(hào)，降低多重通道的影響。這過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)多個(gè)物體產(chǎn)生反射，造成兩個(gè)天線會(huì)接收到不同特征的訊號(hào)，或是其中一個(gè)天線對(duì)某些頻率的訊號(hào)接收不清楚。

　　MRC將天線所接收的各頻率訊號(hào)整合起來(lái)，進(jìn)而增加訊號(hào)的功率。若訊號(hào)的強(qiáng)度相若，接受器便會(huì)選擇性地結(jié)合其訊號(hào)強(qiáng)度，故此即使只使用兩個(gè)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(huì)依據(jù)不同的頻率中不同訊號(hào)的強(qiáng)度或從使用兩個(gè)天線增強(qiáng)了的訊號(hào)強(qiáng)度而選擇訊號(hào)元件。采用天線分集的接收器只會(huì)選擇提供最佳效能的天線，而第二個(gè)天線則置之不用。雖然比起沒(méi)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(wú)法降低多重通道的干擾或提升訊號(hào)品質(zhì)。

　　值得注意的是，即使傳輸器沒(méi)有采用MIMO技術(shù)，依然能享有接收器中MCR功能所帶來(lái)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(wú)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(shí)，便能成為一個(gè)MIMO系統(tǒng)(見(jiàn)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(wú)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(méi)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(kāi)發(fā)出一種獨(dú)立技術(shù)，名為空間多工(spatial multiplexing)(見(jiàn)圖6)，在傳輸器與接收器之間傳輸兩個(gè)或更多的獨(dú)立資料流，進(jìn)而增加資料傳輸率。這項(xiàng)技術(shù)自1987年開(kāi)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(jì)只能接受單一資料流，因此傳統(tǒng)系統(tǒng)出現(xiàn)了無(wú)法將訊號(hào)解碼的問(wèn)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(huì)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(wú)法與預(yù)計(jì)于2006年初推出的802.11n標(biāo)準(zhǔn)相容。我們?cè)谙乱欢螌⑦M(jìn)一步說(shuō)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(shí)，將無(wú)法相互運(yùn)作。即使沒(méi)有這些問(wèn)題，現(xiàn)行采用802.11a/b/11g標(biāo)準(zhǔn)的WLAN系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)是針對(duì)非空間多工標(biāo)準(zhǔn)，因此使用空間多工并無(wú)法提升效能。

　　時(shí)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(jì)加以配合，時(shí)空編碼是個(gè)較容易執(zhí)行的機(jī)制。此外，時(shí)空編碼也是3G行動(dòng)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(hào)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(shí)空編碼通常需要多個(gè)傳輸天線，而接收天線則是一個(gè)或多個(gè)皆可。

　　在過(guò)去20年來(lái)，這些MIMO的衍生技術(shù)，不論是個(gè)別或整合運(yùn)用，已大幅改善無(wú)線及有線系統(tǒng)的效能。例如行動(dòng)電話業(yè)者便積極推動(dòng)時(shí)空編碼，而雷達(dá)解決方案與固定無(wú)線系統(tǒng)則廣泛使用傳輸波束成形。

　　802.11n將為未來(lái)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(lái)越依賴此網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)作，進(jìn)行重要的商業(yè)活動(dòng)或是處理敏感的個(gè)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(guò)這些標(biāo)準(zhǔn)，消費(fèi)者可以避免現(xiàn)時(shí)的WLAN設(shè)備與新一代產(chǎn)品無(wú)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(huì)出爐，并在2007年才會(huì)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(huì)與最后建議的標(biāo)準(zhǔn)不相容，導(dǎo)致顧客在財(cái)務(wù)或產(chǎn)品相互操作上有短期或長(zhǎng)期的嚴(yán)重?fù)p失。

　　在合作制訂802.11n標(biāo)準(zhǔn)草案的兩個(gè)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(wú)線市場(chǎng)的主要廠商，包含消費(fèi)電子產(chǎn)品/個(gè)人電腦、行動(dòng)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(jiàn)便能較為均衡，可滿足無(wú)線市場(chǎng)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(huì)所采用(在2005年1月的IEEE會(huì)議中，超過(guò)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(gè)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(gè)VLocity裝置來(lái)與非MIMO的802.11a/b/g裝置來(lái)溝通也能提升效能。

　　倘若在無(wú)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(gè)不同環(huán)境進(jìn)行測(cè)量效能的提升幅度：一個(gè)是開(kāi)放空間的環(huán)境(測(cè)量?jī)蓚�(gè)裝置之間視線范圍的效能)，而另一個(gè)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(cè)試結(jié)果。結(jié)果顯示，若以dB來(lái)計(jì)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(huì)有200mW的訊號(hào)功率。

　　在追求效能提升與回溯相容的同時(shí)，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)