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由于MIMO抗衰減特性表現(xiàn)佳，MIMO技術(shù)可望以較高的頻譜效率提升數(shù)據(jù)傳輸率(data rate)。商用無線系統(tǒng)是在具明顯多重路徑(multipath)環(huán)境下運行，因此，MIMO天線系統(tǒng)正可因此現(xiàn)象，發(fā)揮系統(tǒng)最佳運作效益…
盡管MIMO技術(shù)的特性對商業(yè)化應(yīng)用極具吸引力，但MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)相較，卻相對復雜許多倍！在無線系統(tǒng)實作中，該MIMO技術(shù)會產(chǎn)生一些特殊測試與量測挑戰(zhàn)，其中1項挑戰(zhàn)在于無線信道與信道相關(guān)性效應(yīng)(如路徑損耗和多重路徑衰減)。
在無線通訊系統(tǒng)中，無線信道是決定系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素，唯有確保每個無線通道具明顯差異，才能在相同時間/頻率空間內(nèi)支持多個串流。因此，充分了解通道相關(guān)性效應(yīng)，對于MIMO效能的最佳化至為重要，要達到最佳化，則必須在真實環(huán)境與信道下準確測試MIMO組件(例如接收器)和系統(tǒng)的方法。目前遇到的問題是受限于通道靈敏度、行動性需求…等因素，直接在「真實」無線環(huán)境中執(zhí)行這類測試，是既無效、又不切實際的做法。為解決環(huán)境問題，則必須針對此嚴苛的測試環(huán)境設(shè)計專用量測設(shè)備，因應(yīng)MIMO的通道效應(yīng)問題。
MIMO通道相關(guān)性效應(yīng)
審視MIMO運作方式及其發(fā)生作用的理由，才能更深入了解通道相關(guān)性效應(yīng)所產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)。無線通訊系統(tǒng)中，MIMO多重天線系統(tǒng)會把各個天線放置在密集的多徑散射(multipath scattering)環(huán)境，以利用無線通道的空間特性。MIMO系統(tǒng)會使用多個收發(fā)器，以便產(chǎn)生多個可在接收器內(nèi)部恢復的獨立信號路徑。
MIMO中的「輸入」和「輸出」，是指存在于各個天線間的無線信道。當多個發(fā)射器同時將信號輸入無線信道，而這些信號組合同時從無線信道輸出到多個接收器時，便可達到效能增益。
圖說：1.圖中的彩色箭頭描述SISO、SIMO、MISO和MIMO (2x2)系統(tǒng)信道配置。
圖1是在無線系統(tǒng)中用來連接發(fā)射器與接收器的幾種基本配置，包括單一輸入單一輸出(SISO)、單一輸入多重輸出(SIMO)、多重輸入單一輸出(MISO)和多重輸入多重輸出(MIMO)。圖中的每個箭頭代表2個天線間的多個信號路徑(包括直接視線傳輸LOS路徑)，及由周遭環(huán)境的反射、散射和繞射造成的多徑信號。在2 x 2 MIMO配置中，每個發(fā)射器天線都有2個不同的發(fā)射通道，而每個接收器天線則有2個合并接收通道，還有許多其它MIMO配置，是使用多對天線組合，例如3 x 3和4 x 4。在配置MIMO系統(tǒng)時，甚至可在發(fā)射器與接收器使用不同數(shù)目天線。
實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)，可對抗信號衰減或提高系統(tǒng)容量。一般而言，多重天線可分為空間分集、空間多任務(wù)和波束成形…等3種技術(shù)。
以空間分集技術(shù) 達到抗衰減目的
空間分集(Spatial Diversity)技術(shù)可藉由減少重新傳輸次數(shù)，達到提高功率效率目的，主要采用延遲分集(delay diversity)、空時區(qū)塊碼(Space-Time Block Codes；STBC)和空時格碼(Space-Time Trellis Code；STTC)…等方法。
在多重路徑明顯的環(huán)境下，無線信道中的信號功率會隨時間和距離快速地波動，當接收器的信號功率大幅下降時，通道就處于多徑衰減狀態(tài)，無線通道中通常會使用分集來對抗此衰減效應(yīng)。天線分集對抗衰減的方法，是將來自于2個或更多個獨立衰減的信道信號加以合并。以SIMO系統(tǒng)為例，當接收器將來自不同天線的信號合并，使該信號的振幅變化比任1個天線信號振幅來得小時，接收天線分集便能改善系統(tǒng)效能。分集特性在于獨立衰減信道的數(shù)目，又稱為分集階數(shù)(diversity order)，即等于SIMO系統(tǒng)中的接收天線數(shù)目，但如果衰減通道并非獨立，則天線分集可能無法改善系統(tǒng)效能。
從發(fā)射分集適用于MISO通道的角度觀察，如果從每個發(fā)射天線到單1個接收天線的信道具有獨立衰減特性，則分集階數(shù)會等于發(fā)射天線數(shù)目。若發(fā)射器事先并不知道通道特性，則必須適當設(shè)計發(fā)射信號，以使接收器達到分集增益�？諘r編碼(Space Time Coding；STC)是近來頗受矚目的1種發(fā)射分集技術(shù)，它會在不同時間將相同使用者數(shù)據(jù)傳送到2個發(fā)射天線，以提高成功恢復所需數(shù)據(jù)的機率，此技術(shù)亦可對空間和時間數(shù)據(jù)進行有效編碼。
圖2是使用Alamouti STC的1個簡單的方塊圖。此系統(tǒng)中的2個天線會在任1個符號周期內(nèi)，同時發(fā)射2個不同符號。
圖說：2. Alamouti空時編碼(STC)方塊圖，其中h0和h1代表通道系數(shù)，S0, S1…代表序列中的符號，( )* 則代表共軛復數(shù)運算。此系統(tǒng)中的2個天線會在任1個符號周期內(nèi)，同時發(fā)射2個不同符號。
STC分集技術(shù)無法提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率，只能改善信號質(zhì)量。圖2中的序列不僅采空間與時間編碼(空時編碼)，也可進行空間域和頻域編碼。在此情況下，2個不同的天線并不會發(fā)射2個連續(xù)符號周期，而是會使用2個頻率載波(空間-頻率編碼)。
MIMO通道中的分集是上述發(fā)射與接收分集的組合。如果在每1對發(fā)射/接收天線間的信道具獨立衰減特性，則分集階數(shù)會等于發(fā)射與接收天線數(shù)目的乘積。
空間多任務(wù)技術(shù) 提升數(shù)據(jù)傳輸速度
空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing)技術(shù)使用定義為MIMO的空間多任務(wù)，其特色是不同天線會同時發(fā)射各個獨立數(shù)據(jù)流，以增加有效數(shù)據(jù)傳輸率�？臻g多任務(wù)使用與傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)中相同的頻寬和功率，卻可以提高傳輸速率。理論上容量的增加會與加入MIMO系統(tǒng)中的發(fā)射/接收天線對數(shù)目呈線性相關(guān)。當配置中的發(fā)射器與接收器天線數(shù)目不相等時，容量增加會與當中較小的數(shù)目，M或N成比例關(guān)系。
空間多任務(wù)也可應(yīng)用于多使用者格式，亦即分空多任務(wù)存取(Space Division Multiple Access；SDMA)。若有2名行動用戶透過相同無線信道發(fā)射他們個別的信號，這2個信號會傳送到配備2個天線的基地臺，并經(jīng)由空間多任務(wù)將它們區(qū)分開來，容量增加會與基地臺的天線數(shù)目或行動用戶數(shù)量(取其較小者)成比例關(guān)系，雖然用戶并未感受到容量增加，但服務(wù)提供者卻可以在相同空間為更多的用戶提供服務(wù)。這項技術(shù)已在WiMAX Wave 2標準中加以定義，稱為「上行鏈路協(xié)同空間多任務(wù)」(Uplink Collaborative Spatial Multiplexing；UL-CSM)。
空間多任務(wù)只有在無線環(huán)境的多重路徑現(xiàn)象很明顯時，才能提高數(shù)據(jù)傳輸率，原因在于這類環(huán)境會使通道間的相關(guān)性降低，以便能夠在接收器進行數(shù)據(jù)恢復，當信道間有高度相關(guān)時，空間多任務(wù)的效能便會急劇下滑。
波束成形技術(shù) 達到容量增益
波束成形(Beamforming)技術(shù)必須利用發(fā)射器信道的背景知識，在傳統(tǒng)波束成形應(yīng)用中，每1個天線組件會在每1個信號路徑應(yīng)用復雜的權(quán)重(大小和相位)后，同時發(fā)射相同的信號(數(shù)據(jù)符號)，以便使天線數(shù)組在無線鏈路上達到最佳的信號/噪聲比(SNR)。
在針對空間分集或空間多任務(wù)而最佳化的波束成形器(beamformer)中，每1個天線組件會同時發(fā)射2個數(shù)據(jù)符號的加權(quán)組合。此波束成形技術(shù)必須知道發(fā)射器通道特性，它會利用該項信息建立波束成形(預失真)矩陣，以作為發(fā)射器與接收器的前置和后置濾波器，從而達到容量增益目的。在此情況下，可能需要量測接收器的信道，并將信息傳回發(fā)射器。
妥善安排天線位置 減輕信道效應(yīng)
無線信道在MIMO系統(tǒng)實作上扮演著不可或缺的角色，因此，徹底了解可能對其造成負面影響的任何效應(yīng)便十分重要�？臻g分集和空間多任務(wù)可大幅提升系統(tǒng)效能，但前提是必須正確設(shè)定空間大小，以利用多徑環(huán)境的豐富特性。以空間分集來說，使用STC可達到的分集增益主要取決于通道分集階數(shù)，在每1對發(fā)射-接收天線間的信道必須獨立衰減，使信道分集階數(shù)等于發(fā)射與接收天線數(shù)目的乘積。如果在發(fā)射/接收天線對間的信道具高度相關(guān)性，則可達到的分集增益將相對有限。
在空間多任務(wù)的MIMO應(yīng)用中，通道間相關(guān)性必須很低才行，不同的空間信號流只在適當信道環(huán)境下才會清楚地區(qū)分，為讓各對天線間的信道達到較低的相關(guān)性，通常必須妥善安排發(fā)射與接收天線位置。
雖空間分集和空間多任務(wù)…等技術(shù)可在面對通道效應(yīng)時提供1個改善效能的方法，但卻無法徹底解決通道效應(yīng)問題。這時可考慮以下幾種方案。比如在典型的2 x 2 MIMO配置中，可使用2個不同的SIMO信道仿真器進行仿真在發(fā)射與接收天線對間的4個不同通道。然而SIMO信道仿真器并不能提供MIMO通道間的正確相關(guān)，這在測試系統(tǒng)效能時是很重要的1項特性，因為在某種程度上真實的通道間都會有一些相關(guān)性。
工程人員可以選擇直接在「真實」的無線環(huán)境中進行測試，但通道非常的靈敏，既不可控制、也無法重復。另1種選擇是使用以軟件為主的工具來建立實際的MIMO通道，雖然此方法可提供RF與基頻功能是否正確運作的指針，此法卻相對耗時，亦無法產(chǎn)生實時結(jié)果。
安捷倫N5106A PXB MIMO接收器測試儀可仿真實際MIMO信道，利用數(shù)字信號處理技術(shù)復制真實的MIMO環(huán)境，在設(shè)計、開發(fā)與驗證的初期發(fā)現(xiàn)效能問題，亦可產(chǎn)生接近實際現(xiàn)況的衰減情境，包括路徑與信道相關(guān)性，減少實作成本，加快校驗過程。
圖說：3. Agilent N5106A MIMO接收器測試儀提供多達4個基頻產(chǎn)生器和8個信道衰減仿真器，可測試及除錯最大到4 x 2的MIMO系統(tǒng)。在此儀器中執(zhí)行Signal Studio信號產(chǎn)生軟件，可提供符合最新標準的信號產(chǎn)生功能。
圖4是測試1個2 x 2 MIMO接收器的簡單配置圖。量測儀器連接2個RF信號產(chǎn)生器，以進行信號的升頻轉(zhuǎn)換(upconversion)。儀器內(nèi)部的基頻產(chǎn)生器可產(chǎn)生符合標準的波形，例如，WiMAX、LTE和WLAN信號。這些基頻產(chǎn)生器透過軟件的圖形使用者接口，就能很容易地連接到通道衰減器。每個衰減器都可以分別利用符合標準的衰減模型，例如，WiMAX ITU Pedestrian B，或以各種路徑和衰減條件所自訂的模型進行設(shè)定。與獨立式衰減器相比，儀器的自動化功率校驗功能，可省去進行衰減時所需的繁瑣、費時系統(tǒng)設(shè)定。(本文由安捷倫科技提供)
圖說：4. 使用N5106A PXB MIMO接收器測試儀來測試2 x 2 MIMO接收器的方塊示意圖。
