上網時間 : 2005年10月21日
本文描述了多輸入/多輸出-正交分頻多工(MIMO-OFDM)技術如何顯著提升WLAN性能，使其不僅能夠更加經濟有效地為現有應用服務，而且能夠實現要求更高的新型應用。此外，本文還解釋了製造商和終端用戶如何能夠透過部署MIMO-OFDM產品而獲益，又不錯過未來IEEE 802.11n標準可以帶來的好處。
任何一種無線連接的品質和有用性都可以透過三個基本參數進行完全描述，分別是：速度、範圍以及可靠性。MIMO-OFDM出現之前，上述3個參數依據嚴格的規則相互限制：速度的增加只有靠犧牲範圍和可靠性才可實現；範圍的擴展以犧牲速度和可靠性為代價；而提高可靠性必須降低速度和傳輸範圍。MIMO-OFDM的出現顛覆了這種限制，因為它能同時提升上述3個參數的性能。MIMO最終將使包括行動電話在內的所有主要無線產業獲益，但目前，WLAN引領了利用MIMO創新的潮流。
什麼是MIMO？
多徑傳播是所有無線通訊環境的一大特徵。
通常情況下，從A點的發射器到B點的接收器之間有一條主要(最直接)通道。但不可避免的是，一些發射訊號會通過其它路徑(從環境中的物體、大地以及大氣層反射等)到達接收器。
圖1：多徑傳播如何影響無線訊號。
經非直接通道傳輸的訊號到達接收器的時間會略晚於正常訊號，而且通常會衰減。處理衰減的多徑訊號的一般做法是簡單的忽略。但是，當多徑訊號太強以至於無法忽略時，會導致基於現有標準WLAN設備的性能下降。
無線訊號可借助正弦波進行描述，如圖1.a所示，縱軸表示振幅，橫軸表示時間。當多徑訊號比主訊號稍晚到達接收器時，其峰值和谷值與主訊號的峰谷值不會完全同相，接收器接收到的混合訊號多少會出現失真，見圖1.b。如果多徑訊號的時延導致其波峰與主訊號的波谷在同一刻出現，那麼多徑訊號將部份或完全抵銷主訊號，見圖1.c。傳統無線系統通常不對多徑干擾採取任何防範措施，僅依靠主訊號自身來抑制多徑訊號；或者利用多徑解緩技術。一種解緩技術是使用多個天線以便能夠在任一時刻及時捕捉最強訊號；另一種技術則給接收訊號增加了不同的時延，迫使各波峰和波谷同相。
無論何種解緩技術，它們都假定多徑訊號是無用甚至有害的，並竭盡全力制止這種危害。
與之相反，MIMO卻借助多徑傳播的特點提高吞吐量、傳輸距離/覆蓋範圍以及可靠性。MIMO非但沒有想方設法消除多徑訊號，而是讓多徑訊號攜帶更多的資訊。MIMO技術通過在相同無線訊息通道內同時發射並接收多個數據訊號實現了上述目的。多波形技術的使用構成了一種新的無線通訊模式──利用多維訊號進行通訊，該模式是目前為止唯一已知的能同時提高三個基本連接性能參數(範圍、速度和可靠性)的方法。
因為MIMO透過訊息通道傳輸多訊號(而不是傳統系統中的單訊號)，所以MIMO擁有成倍的資訊負載能力(這是速度的另一種表達方式)。無線能力的一個通用測度標準是頻譜效率，即單位時間內單位頻寬所傳送的資訊量，通常以每赫茲每秒位元或b/s/Hz表示。
使用傳統無線技術，工程師必須設法才能漸進地提升頻譜效率(例如，每次增加一個b/s/Hz)。透過在同一個頻道內傳輸包含不同資訊流的多個訊號，MIMO提供了一種能夠成倍或三倍提升頻譜效率的方法。
MIMO還能被看作是一種多維無線通訊系統。傳統無線系統試圖在一維管道內壓縮盡可能多的資訊。為此，工程師必須使其設計適應一維訊息通道的噪音及其它限制。MIMO賦予了工程師在多維空間工作的條件，為消弭一維訊息通道的限制提供了機會。
更高的頻譜效率轉換成為更高的數據速率、更寬的覆蓋範圍、更多的用戶、更強的可靠性或上述指標的任意組合。透過增加頻譜效率，MIMO為多種新應用敞開了大門，同時還節省了現有應用的實施成本。
MIMO與智慧天線的區別
乍看起來，MIMO與智慧天線系統非常相似：兩個系統都採用多個天線，天線的佈置在可實施前提下盡可能遠離。但只要深入研究，你就會發現MIMO和智慧天線系統在本質上存在差別。
智慧天線增強了傳統的一維無線系統。大多數通用智慧天線系統採用波束成形技術(又稱波束切換)將訊號能量聚集於主路徑，而後利用接收合成技術(又叫分集)捕捉在任一特定時間內的最強訊號。注意：波束成形和接收合成僅僅是多徑解緩技術，並不能將無線訊息通道的數據吞吐量加倍(見圖2)。
圖2：比較智慧天線(a，b和c)與MIMO方案(d)
但這並不意味著波束成形和接收合成技術毫無用處。在點對點應用中(例如，戶外無線回傳應用)，兩者均被證明能夠成倍提高系統性能。但是，波束成形和接收合成技術只能稱的上是對傳統無線系統性能的提升極有價值，而MIMO是一次可資標榜的轉變，它戲劇性地改變了人們對多徑傳播的接收度和反應。接收合成和波束成形只能一次將頻譜效率增加一或兩個b/s/Hz，而MIMO則能夠使b/s/Hz成倍增加。
為什麼採用MIMO-OFDM？
MIMO能與任何調變或接取技術共同使用。今天，大多數數位無線系統選用時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)或正交頻分多工(OFDM)技術。
時分系統在窄頻訊息通道上傳輸數據，採用時槽(time slot)來分隔不同用戶或用途的數據。碼分系統在寬頻(擴頻)訊息通道上傳輸數據，採用程式碼來分隔不同用戶和用途的數據。OFDM也是一個寬頻系統，但與在整個訊息通道連續擴展訊號的CDMA不同，OFDM採用多個分離的低數據速率子訊息通道。
MIMO可以與任何調變和接取技術一同使用。研究顯示，執行過程非常簡單，特別是對用於高數據速率的MIMO─OFDM而言更是如此。值得一提的是，MIMO─OFDM訊號能用相對直接的矩陣代數進行處理。
MIMO─OFDM如何使基於現有標準的產品受益
整合準標準MIMO增強型Wi-Fi的產品從外觀上看與具有智慧天線的產品極為相似，這一事實也暗示了另一個優勢。準標準MIMO產品裝配有天線和其它必須電路，當基於現有標準模式進行作業時，可以提供智慧天線功能。
事實上，即便僅在連接的一端採用這種智慧天線功能，也能提升系統性能。因此，準標準MIMO產品不僅能夠與現有Wi-Fi標準完全相容，還能夠增強這些標準的表現性能。
這從另一個方面也證明，準標準MIMO的增強效果可以被用來補充而不是阻礙現有標準。所以，一些用戶或許會購買準標準MIMO增強型Wi-Fi產品以期利用 MIMO-OFDM的出眾性能，而另一些用戶卻可能會發現，僅將這些設備添加到基於標準的網路中就能幫助他們解決問題。
供稿：Datacomm Research公司
