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提升4G高速聯(lián)網(wǎng)品質(zhì) 手機(jī)搭載MIMO天線勢(shì)起
? ? ?面對(duì)行動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸量快速增長(zhǎng)，電信業(yè)者與行動(dòng)裝置制造商已開始在4G通訊設(shè)備中，采納多串流多重輸入多重輸出天線設(shè)計(jì)，以在不增加頻寬的情況下，提高通訊系統(tǒng)的通道容量和頻譜利用率，紓解網(wǎng)路流量壅塞問(wèn)題。
? ? ?多重輸入多重輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通訊技術(shù)能提供以下優(yōu)點(diǎn)：首先，可以利用空間分集技術(shù)，使無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)于雜訊、干擾、多路徑影響的容忍限度大大增加；其次，可在不增加頻寬的情況下，成倍提高通訊系統(tǒng)的通道容量和頻譜利用率。
? ? ?空間多工技術(shù)就是在接收端和發(fā)射端使用多根天線，充分利用空間中多重傳輸路徑的分量，在同一頻帶上使用多個(gè)資料通道(MIMO子通道)發(fā)射訊號(hào)，使通道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種通道容量的增加不占用額外的頻寬，也不消耗額外的發(fā)射功率，因此是增加通道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的方法。
? ? ?強(qiáng)化接收功率MIMO天線擴(kuò)展通道容量
? ? ?相對(duì)于有線通訊系統(tǒng)而言，無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰υ谀壳叭匀皇窍喈?dāng)有限。無(wú)線通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可藉由多種通訊技術(shù)來(lái)增進(jìn)，其中一項(xiàng)技術(shù)，就是于發(fā)射端或接收端設(shè)計(jì)多根天線在天線陣列上。
? ? ?在一般情況下，發(fā)射端和接收端使用MIMO天線，相較于單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)天線，可以增加平均接收功率，并進(jìn)一步獲得更多的通道容量(圖1)。與SISO相比，MIMO可以將多種通道分切成個(gè)別的空間通道，然后對(duì)于通訊系統(tǒng)提供一個(gè)額外的空間維度，和產(chǎn)生一個(gè)空間自由度的增益。
? ? ?圖12X2 MIMO系統(tǒng)空間自由度是計(jì)算MIMO通道容量的重要因素，有很多理論指出空間自由度可以提高通道容量。其實(shí)，MIMO通道容量的重要因素，有很多理論指出空間自由度可以提高通道容量。其實(shí)，MIMO空間自由度的數(shù)目，是受發(fā)射天線Nt和接收天線Nr之最小數(shù)目Nm所限制；換句話說(shuō)，MIMO空間自由度的最大數(shù)目也是Nm(表1)
? ? ?對(duì)SIMO和MISO而言，Nm的數(shù)值都是1，意味著只能夠支持單通道進(jìn)行通訊，因此，SIMO和MISO不能產(chǎn)生空間多工。相較于SIMO與MISO，MIMO具有對(duì)稱和非對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠支持更多個(gè)別空間的多重通道產(chǎn)生空間多工，并獲取更高的通道容量。
? ? ?在MIMO通道上，這些額外的空間自由度可以被空間多工的多個(gè)資料數(shù)據(jù)流同時(shí)利用，因而達(dá)到容量增加的目的。在發(fā)射端和接收端皆使用多根天線的情境下，只要有足夠的散射環(huán)境，就可以提供夠高的通道容量。
? ? ?目前MIMO技術(shù)在無(wú)線通訊中已引起相當(dāng)大的關(guān)注，現(xiàn)有的先進(jìn)通訊系統(tǒng)中，在發(fā)射端和接收端多使用多根天線，以達(dá)成更高的頻譜利用率，和鏈路連結(jié)可靠性。
? ? ?MIMO是一種用來(lái)描述多天線無(wú)線通訊系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型，能在發(fā)射端的多個(gè)天線各自獨(dú)立發(fā)送訊號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)原資訊。該技術(shù)最早是由馬可尼(Guglielmo Marconi)于1908年提出，他利用多天線來(lái)抑制通道衰落(Fading)。由于MIMO可以在不須要增加頻寬或總發(fā)送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下，大幅增加系統(tǒng)的通道容量及傳送距離，使得此技術(shù)于近幾年受到高度關(guān)注。
? ? MIMO的核心概念，為利用多根發(fā)射天線與多根接收天線所提供之空間自由度，來(lái)有效提升無(wú)線通訊系統(tǒng)之頻譜效率，同時(shí)提升傳輸速率并改善通訊品質(zhì)。MIMO能夠確保在傳輸范圍內(nèi)訊號(hào)的穩(wěn)固連接，還能保證其他設(shè)備所要求的各種訊號(hào)范圍服務(wù)品質(zhì)。
? ? ?消費(fèi)者將受益于較大的訊號(hào)涵蓋范圍、傳輸量，還有較高的可靠性與低功耗等，同時(shí)它具備對(duì)網(wǎng)路上現(xiàn)有設(shè)備的相容性，對(duì)既有的網(wǎng)路沒(méi)有任何影響。MIMO的主要應(yīng)用有空間多樣(Spatial Diversity)、空間多工(Spatial Multiplexing)以及波束成形(Beamforming)等，詳述如下：
? ? ?空間多工
? ? ?通訊系統(tǒng)工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加頻寬，比SISO系統(tǒng)成倍地提升資訊傳輸速率，從而大幅提高頻譜利用率。在發(fā)射端，高速率之?dāng)?shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同發(fā)射天線上，于相同頻段上發(fā)射出去。
? ? ?如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間，構(gòu)成的空間子通道具有足夠相異性，即能夠在時(shí)域和頻域之外，額外提供空域的維度，使不同發(fā)射天線上傳送的訊號(hào)之間能夠相互區(qū)別，因此接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不須付出額外的頻率或者時(shí)間資源?？臻g多工技術(shù)在高訊雜比條件下能夠提高通道容量。
? ? ?空間多樣
? ? ?利用發(fā)射或接收端的多根天線所提供之多重傳輸途徑發(fā)送相同資料，以增強(qiáng)資料的傳輸品質(zhì)。
? ? ?波束成形
? ? ?藉由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，增加訊?hào)品質(zhì)，并減少與其他訊號(hào)間的干擾。
? ? ?環(huán)境復(fù)雜度/天線設(shè)計(jì) 影響空間自由度
? ? ?在2×2的應(yīng)用情境下，長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)定義了二個(gè)碼字(Codeword)的使用者資訊，分別代表不同的調(diào)變及通道編碼方式，可支援的Codeword數(shù)目則取決于當(dāng)時(shí)通道的容量(圖2)。
? ? ?圖2 多天線訊號(hào)流程圖
? ? ?傳輸層的數(shù)目表示獨(dú)立的資料流數(shù)目，一個(gè)Codeword可對(duì)應(yīng)到一個(gè)或多個(gè)資料流，而資料流的個(gè)數(shù)必定小于或等于實(shí)際天線的數(shù)目。將資料流映射到多根天線的步驟稱為預(yù)編碼(Precoding)，預(yù)編碼通常用一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)表示，而傳輸層映射(LayerMapping)以及預(yù)編碼的內(nèi)容則和MIMO的應(yīng)用有關(guān)。先進(jìn)長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE-Advanced)所定義的基地臺(tái)天線數(shù)可為一、二、四或八根，而使用者端的天線數(shù)為一、二或四根。
