MIMO：一個(gè)以多次元傳輸方案提升傳輸容量的新技術(shù)
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當(dāng)家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)連結(jié)、HDTV無線實(shí)時(shí)傳播等不容許延遲且頻寬需求大的多媒體應(yīng)用，以及娛樂設(shè)備分散和分享內(nèi)容的應(yīng)用愈來愈普遍時(shí)，無線通訊技術(shù)也被要求在有限頻譜的條件下提高其效能。
我們需要能更有效率地高速傳送高品質(zhì)信號的技術(shù)，而這種技術(shù)又不能用到額外的波段頻寬。多進(jìn)多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技術(shù)正是能克服信號衰落、干擾增加及有限頻譜等無線通訊挑戰(zhàn)的解決方案。它在不占用更多頻寬的情況下，除了能讓傳輸速率倍增，也同時(shí)能增加傳輸范圍和使用的穩(wěn)定性。
一個(gè)多次元傳輸方案
MIMO技術(shù)是一個(gè)能在單一射頻信道中收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)資料信號流的技術(shù)。它采用多次元傳輸方案：通過一個(gè)單一射頻信道來收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)的信號流，如此一來，無線通訊系統(tǒng)就能在一個(gè)信道中達(dá)到兩倍或兩倍以上的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)中，用一個(gè)以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線來傳送這些多重信號，同時(shí)也有一個(gè)以上高整合的射頻降頻器（downconverter）和天線來接收這些多重信號。采用MIMO技術(shù)，每個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率將隨著信道中傳送的不同資料流數(shù)目而呈線性增長。
由于具有同時(shí)傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻譜的條件下讓無線信號的傳輸能力倍增。MIMO系統(tǒng)的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波信道中傳送的數(shù)據(jù)流數(shù)目而增加，也因?yàn)樵诓煌奶炀€和信道中傳送多重信號，MIMO信號有時(shí)也被稱為“多次元信號”（multi-dimensional signal）。
除了讓相同信道中的信號速率倍增外，妥善設(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)還可以藉由高頻譜效率和更高的遠(yuǎn)程傳輸速率（throughput-at-range）來增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統(tǒng)對“有效傳輸速率”（effective throughput，距發(fā)射器特定距離所測量到的傳輸速率）的提升比對“峰值傳輸速率”（peak throughput，距發(fā)射器很近的地方測量到的傳輸速率）的提升效果還要好，獨(dú)立的測試顯示一個(gè)設(shè)計(jì)良好的WLAN MIMO系統(tǒng)可以將有效涵蓋范圍提升八倍，同時(shí)也能將有效傳輸速率提升六倍。
MIMO并非一般的智能型天線系統(tǒng)
其它一些多天線傳送及接收技術(shù)常常會和MIMO技術(shù)相混淆，這些技術(shù)包括發(fā)射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多樣性（receiver diversity）。這類技術(shù)雖然可以改善一般傳統(tǒng)一次元信號的覆蓋范圍，也很適合戶外點(diǎn)對點(diǎn)連結(jié)（wireless backhaul）等特定應(yīng)用，但它們還是無法達(dá)到真正MIMO系統(tǒng)讓傳輸容量倍增的效果。
波束成形雖然能為某些應(yīng)用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴(yán)重的負(fù)面因素卻不能被忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點(diǎn)、可以支持的終端設(shè)備數(shù)目會減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數(shù)目造成限制。
再來看看接收多樣性(antenna diversity)方案，為了接收最強(qiáng)的信號和改善可靠性，多樣性天線在數(shù)個(gè)天線間切換選擇，但由于沒有額外的信號處理，信號的品質(zhì)并沒有改變。接收匯整技術(shù)的情況也很相似，它雖然能通過多個(gè)天線來進(jìn)行信號處理，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項(xiàng)技術(shù)也不能增加數(shù)據(jù)傳輸速率或傳輸容量。
其它會和MIMO混淆的技術(shù)還包括數(shù)據(jù)壓縮（data compression）和射頻信道匯整（radio channel combining）。在多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)際上并沒有增加資料的傳輸速率；信道匯整技術(shù)則在許多國家（如日本）遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。信道匯整技術(shù)的另一個(gè)問題是它可能會干擾到在同一網(wǎng)絡(luò)中的其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這種會對鄰近無線網(wǎng)絡(luò)造成負(fù)面沖擊的情況，讓信道匯整常被視為是一種“壞鄰居”的技術(shù)。
與信道匯整技術(shù)不同的是，MIMO不需要增加射頻信道的使用數(shù)目就能達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其它設(shè)備的向下兼容性和互通操作性，而且不會對其他的網(wǎng)絡(luò)造成干擾。
MIMO讓信道的傳輸容量倍增并改善頻譜使用效益
在多天線技術(shù)中，MIMO是唯一能在系統(tǒng)的單一信道或每MHz頻段中，以兩倍或兩倍以上的峰值資料速率來提升頻譜效能（spectral capacity）的技術(shù)。舉例來說，在WLAN或Wi-Fi的應(yīng)用中，MIMO能將17MHz頻寬中的傳輸速度一舉提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相較之下，802.11a/g即使采用了波束成形或多樣性技術(shù)，在17MHz頻寬中的峰值表現(xiàn)上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道匯整技術(shù)雖然也能達(dá)到108Mbps的傳輸速率，但它用了40MHz的頻寬，每MHz只能傳送2.7Mbps。因此，MIMO能比同樣采用多個(gè)“智能型”天線的其它系統(tǒng)具有至少二倍的傳送能力。
從Marconi到MIMO：開發(fā)多路徑傳播途徑
1895年時(shí)，Guglielmo Marconi首度改變了世人對于無線通訊的看法。他從一座山后送出第一道射頻信號，并在三公里外被接收，進(jìn)而證實(shí)了無線通訊不需要直線對傳（line-of-site）。然而，在接下來的一百年當(dāng)中，無線領(lǐng)域的專家認(rèn)為多路徑的信號反射，也就是從多個(gè)路徑到達(dá)接收器的情況是造成射頻連結(jié)難以維持好品質(zhì)的一項(xiàng)嚴(yán)重問題。
在20世紀(jì)90年代時(shí)，史丹佛大學(xué)的兩名研究生 － Greg Raleigh博士和VK Jones博士（兩人都是Airgo Networks的創(chuàng)始人）證實(shí)了射頻傳送的多路徑特性其實(shí)能提升射頻系統(tǒng)的傳輸能力。1996年，這個(gè)完全顛覆百年來射頻架構(gòu)思考的新觀念首度在學(xué)術(shù)論文中以數(shù)學(xué)方式被證實(shí)。
這個(gè)革命性的作法把香農(nóng)極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑信道傳送的MIMO系統(tǒng)上，它藉由射頻信號經(jīng)由對象反彈后再由接收器分開來接收的所謂空間多任務(wù) (Spatial Multiplexing) 原理來傳送比過去所能想象得到的可行方式還要多的信息。通過連結(jié)兩端的多重天線的使用和復(fù)雜的數(shù)字信號處理演算，MIMO確實(shí)運(yùn)用多徑反射來改善效能—— 這可以稱得上是現(xiàn)代射頻架構(gòu)的一次演進(jìn)。
當(dāng)家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)連結(jié)、HDTV無線實(shí)時(shí)傳播等不容許延遲且頻寬需求大的多媒體應(yīng)用，以及娛樂設(shè)備分散和分享內(nèi)容的應(yīng)用愈來愈普遍時(shí)，無線通訊技術(shù)也被要求在有限頻譜的條件下提高其效能。
我們需要能更有效率地高速傳送高品質(zhì)信號的技術(shù)，而這種技術(shù)又不能用到額外的波段頻寬。多進(jìn)多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技術(shù)正是能克服信號衰落、干擾增加及有限頻譜等無線通訊挑戰(zhàn)的解決方案。它在不占用更多頻寬的情況下，除了能讓傳輸速率倍增，也同時(shí)能增加傳輸范圍和使用的穩(wěn)定性。
一個(gè)多次元傳輸方案
MIMO技術(shù)是一個(gè)能在單一射頻信道中收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)資料信號流的技術(shù)。它采用多次元傳輸方案：通過一個(gè)單一射頻信道來收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)的信號流，如此一來，無線通訊系統(tǒng)就能在一個(gè)信道中達(dá)到兩倍或兩倍以上的數(shù)據(jù)傳輸。在系統(tǒng)中，用一個(gè)以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線來傳送這些多重信號，同時(shí)也有一個(gè)以上高整合的射頻降頻器（downconverter）和天線來接收這些多重信號。采用MIMO技術(shù)，每個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率將隨著信道中傳送的不同資料流數(shù)目而呈線性增長。
由于具有同時(shí)傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻譜的條件下讓無線信號的傳輸能力倍增。MIMO系統(tǒng)的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波信道中傳送的數(shù)據(jù)流數(shù)目而增加，也因?yàn)樵诓煌奶炀€和信道中傳送多重信號，MIMO信號有時(shí)也被稱為“多次元信號”（multi-dimensional signal）。
除了讓相同信道中的信號速率倍增外，妥善設(shè)計(jì)的MIMO系統(tǒng)還可以藉由高頻譜效率和更高的遠(yuǎn)程傳輸速率（throughput-at-range）來增加覆蓋范圍和穩(wěn)定性。MIMO系統(tǒng)對“有效傳輸速率”（effective throughput，距發(fā)射器特定距離所測量到的傳輸速率）的提升比對“峰值傳輸速率”（peak throughput，距發(fā)射器很近的地方測量到的傳輸速率）的提升效果還要好，獨(dú)立的測試顯示一個(gè)設(shè)計(jì)良好的WLAN MIMO系統(tǒng)可以將有效涵蓋范圍提升八倍，同時(shí)也能將有效傳輸速率提升六倍。
MIMO并非一般的智能型天線系統(tǒng)
其它一些多天線傳送及接收技術(shù)常常會和MIMO技術(shù)相混淆，這些技術(shù)包括發(fā)射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多樣性（receiver diversity）。這類技術(shù)雖然可以改善一般傳統(tǒng)一次元信號的覆蓋范圍，也很適合戶外點(diǎn)對點(diǎn)連結(jié)（wireless backhaul）等特定應(yīng)用，但它們還是無法達(dá)到真正MIMO系統(tǒng)讓傳輸容量倍增的效果。
波束成形雖然能為某些應(yīng)用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴(yán)重的負(fù)面因素卻不能被忽視，例如會造成一些隱蔽節(jié)點(diǎn)、可以支持的終端設(shè)備數(shù)目會減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數(shù)目造成限制。
再來看看接收多樣性(antenna diversity)方案，為了接收最強(qiáng)的信號和改善可靠性，多樣性天線在數(shù)個(gè)天線間切換選擇，但由于沒有額外的信號處理，信號的品質(zhì)并沒有改變。接收匯整技術(shù)的情況也很相似，它雖然能通過多個(gè)天線來進(jìn)行信號處理，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項(xiàng)技術(shù)也不能增加數(shù)據(jù)傳輸速率或傳輸容量。
其它會和MIMO混淆的技術(shù)還包括數(shù)據(jù)壓縮（data compression）和射頻信道匯整（radio channel combining）。在多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上，數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)實(shí)際上并沒有增加資料的傳輸速率；信道匯整技術(shù)則在許多國家（如日本）遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。信道匯整技術(shù)的另一個(gè)問題是它可能會干擾到在同一網(wǎng)絡(luò)中的其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這種會對鄰近無線網(wǎng)絡(luò)造成負(fù)面沖擊的情況，讓信道匯整常被視為是一種“壞鄰居”的技術(shù)。
與信道匯整技術(shù)不同的是，MIMO不需要增加射頻信道的使用數(shù)目就能達(dá)到更高的數(shù)據(jù)傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其它設(shè)備的向下兼容性和互通操作性，而且不會對其他的網(wǎng)絡(luò)造成干擾。
MIMO讓信道的傳輸容量倍增并改善頻譜使用效益
在多天線技術(shù)中，MIMO是唯一能在系統(tǒng)的單一信道或每MHz頻段中，以兩倍或兩倍以上的峰值資料速率來提升頻譜效能（spectral capacity）的技術(shù)。舉例來說，在WLAN或Wi-Fi的應(yīng)用中，MIMO能將17MHz頻寬中的傳輸速度一舉提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相較之下，802.11a/g即使采用了波束成形或多樣性技術(shù)，在17MHz頻寬中的峰值表現(xiàn)上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道匯整技術(shù)雖然也能達(dá)到108Mbps的傳輸速率，但它用了40MHz的頻寬，每MHz只能傳送2.7Mbps。因此，MIMO能比同樣采用多個(gè)“智能型”天線的其它系統(tǒng)具有至少二倍的傳送能力。
從Marconi到MIMO：開發(fā)多路徑傳播途徑
1895年時(shí)，Guglielmo Marconi首度改變了世人對于無線通訊的看法。他從一座山后送出第一道射頻信號，并在三公里外被接收，進(jìn)而證實(shí)了無線通訊不需要直線對傳（line-of-site）。然而，在接下來的一百年當(dāng)中，無線領(lǐng)域的專家認(rèn)為多路徑的信號反射，也就是從多個(gè)路徑到達(dá)接收器的情況是造成射頻連結(jié)難以維持好品質(zhì)的一項(xiàng)嚴(yán)重問題。
在20世紀(jì)90年代時(shí)，史丹佛大學(xué)的兩名研究生 － Greg Raleigh博士和VK Jones博士（兩人都是Airgo Networks的創(chuàng)始人）證實(shí)了射頻傳送的多路徑特性其實(shí)能提升射頻系統(tǒng)的傳輸能力。1996年，這個(gè)完全顛覆百年來射頻架構(gòu)思考的新觀念首度在學(xué)術(shù)論文中以數(shù)學(xué)方式被證實(shí)。
這個(gè)革命性的作法把香農(nóng)極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑信道傳送的MIMO系統(tǒng)上，它藉由射頻信號經(jīng)由對象反彈后再由接收器分開來接收的所謂空間多任務(wù) (Spatial Multiplexing) 原理來傳送比過去所能想象得到的可行方式還要多的信息。通過連結(jié)兩端的多重天線的使用和復(fù)雜的數(shù)字信號處理演算，MIMO確實(shí)運(yùn)用多徑反射來改善效能—— 這可以稱得上是現(xiàn)代射頻架構(gòu)的一次演進(jìn)。
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