所有的(de)無線技術都面臨信号衰落、多徑、不(bù)斷增加的(de)幹擾和(hé / huò)受限制的(de)頻譜的(de)挑戰。多輸入多輸出(chū)(MIMO)技術在(zài)不(bù)需要(yào / yāo)占用額外的(de)無線電頻率的(de)條件下，利用多徑來(lái)提供更高的(de)數據吞吐量，并同時(shí)增加覆蓋範圍和(hé / huò)可靠性。它解決了(le／liǎo)當今任何無線電技術都面臨的(de)兩個(gè)最困難的(de)問題，即速度與覆蓋範圍。
使用MIMO處理的(de)數字通信技術已經作爲(wéi / wèi)具有革命性重要(yào / yāo)意義的(de)無線電系統的(de)突破性技術出(chū)現。這(zhè)種調制格式顯示出(chū)頻譜上(shàng)的(de)一(yī / yì ／yí)緻性，能實現更高的(de)數據速率和(hé / huò)更高的(de)頻譜效率，允許更大(dà)的(de)覆蓋範圍，并支持與現有的(de)OFDM标準的(de)後向兼容。本文将解釋爲(wéi / wèi)何MIMO與其OFDM調制技術适合于(yú)下一(yī / yì ／yí)代蜂窩技術的(de)部署。但是(shì)，首先讓我們快速了(le／liǎo)解一(yī / yì ／yí)下MIMO技術。
MIMO基礎
通常提供一(yī / yì ／yí)個(gè)總結某種技術的(de)突出(chū)特性的(de)簡潔定義非常有用。MIMO即爲(wéi / wèi)相同的(de)時(shí)間在(zài)相同的(de)無線電信道(dào)内傳輸的(de)兩個(gè)或更多的(de)數據信号。MIMO是(shì)一(yī / yì ／yí)種在(zài)一(yī / yì ／yí)個(gè)無線電信道(dào)内傳輸和(hé / huò)接收兩個(gè)或多個(gè)不(bù)同的(de)數據流的(de)革命性的(de)多維方法，這(zhè)樣系統在(zài)每個(gè)信道(dào)内傳送的(de)數據率能提高兩倍或更多倍。
如圖1所示，超過一(yī / yì ／yí)個(gè)的(de)射頻相幹上(shàng)變頻器和(hé / huò)天線被用來(lái)發送多組信号，以(yǐ)及超過一(yī / yì ／yí)個(gè)射頻相幹下變頻器和(hé / huò)天線被用于(yú)接收信号。采用MIMO，每個(gè)信道(dào)的(de)最大(dà)數據速率随着在(zài)同一(yī / yì ／yí)個(gè)信道(dào)中傳輸的(de)不(bù)同數據流的(de)數量呈現線性增長。
MIMO方法通過一(yī / yì ／yí)個(gè)無線信道(dào)發送和(hé / huò)接收兩個(gè)或更多的(de)不(bù)同數據流。這(zhè)意味着系統可以(yǐ)在(zài)每個(gè)信道(dào)上(shàng)提供兩倍或更高的(de)數據率。通過允許同時(shí)發送多個(gè)數據流，如圖1所示，MIMO在(zài)不(bù)使用額外的(de)頻譜條件下使無線數據傳輸容量數倍增加。
峰值吞吐量
在(zài)MIMO系統中峰值吞吐量增加的(de)倍數等于(yú)在(zài)無線信道(dào)中傳輸的(de)信号流數量，由于(yú)從不(bù)同的(de)無線電和(hé / huò)天線發送出(chū)多個(gè)信号，MIMO信号某些時(shí)候被稱爲(wéi / wèi)“多維”信号。傳統的(de)無線電信号被稱作“一(yī / yì ／yí)維信号”，因爲(wéi / wèi)即使是(shì)使用多個(gè)天線，在(zài)無線電信道(dào)中都隻傳送一(yī / yì ／yí)個(gè)數據流。
随着消費者的(de)需求從高帶寬應用如互聯網接入和(hé / huò)電子(zǐ)郵件發展到(dào)包含遊戲、音頻流和(hé / huò)視頻流，對更高數據率的(de)需求不(bù)斷增長。手機處理器的(de)發展以(yǐ)及進一(yī / yì ／yí)步的(de)技術集成(如将更高的(de)數百萬像素相機、視頻等集成到(dào)手機中)，将隻會增加更多消耗帶寬的(de)應用，需要(yào / yāo)覆蓋範圍更廣以(yǐ)及更有效地(dì / de)利用網絡運營商的(de)有限頻譜。
Airgo網絡公司在(zài)WLAN領域的(de)從MIMO到(dào)OFDM的(de)研究、創新、開發和(hé / huò)應用，以(yǐ)及随後802.11n标準組織對MIMO的(de)采納，都證明MIMO不(bù)僅能提供更高的(de)數據速率，而(ér)且擴展了(le／liǎo)Wi-Fi的(de)覆蓋距離，可以(yǐ)涵蓋更多的(de)移動用戶份額。在(zài)看到(dào)MIMO在(zài)提高數據速率和(hé / huò)擴展覆蓋距離的(de)有效性以(yǐ)及優越性後，其它的(de)标準組織意識到(dào)MIMO可以(yǐ)爲(wéi / wèi)包括固定移動和(hé / huò)蜂窩網絡在(zài)内的(de)其它技術帶來(lái)重大(dà)突破。像3G、WiBro、WiMAX、802.20和(hé / huò)4G這(zhè)些标準組織已經在(zài)探讨MIMO的(de)使用，某些标準組織已經在(zài)他(tā)們各自的(de)技術領域内采用了(le／liǎo)該技術。
到(dào)4G蜂窩網絡的(de)發展之(zhī)路
CDMA技術從誕生之(zhī)初就(jiù)是(shì)一(yī / yì ／yí)種革命性技術。因爲(wéi / wèi)CDMA技術相對于(yú)其它技術如GSM的(de)優越性，高通公司不(bù)僅推動了(le／liǎo)3GPP2标準，還滲透到(dào)了(le／liǎo)3GPP WCDMA标準。CDMA的(de)巨大(dà)成功幫助高通公司從手機OEM廠商獲取了(le／liǎo)大(dà)量的(de)權利金。
但是(shì)，最近OFDM已經開始發展壯大(dà)，并正在(zài)以(yǐ)一(yī / yì ／yí)種未來(lái)新的(de)颠覆性技術的(de)姿态出(chū)現。OFDM由于(yú)能夠在(zài)不(bù)需要(yào / yāo)複雜的(de)均衡算法的(de)條件下解決常見的(de)射頻失真問題，以(yǐ)及能在(zài)頻域中輕易擴展，已經表現出(chū)其獨特優勢。
在(zài)過去的(de)幾年裏，OFDM技術已經成功地(dì / de)應用到(dào)一(yī / yì ／yí)些無線應用中，如WLAN、廣播(DVB)和(hé / huò)WiBro/WiMAX。最近，初創公司Flarion通過使下行鏈路峰值速率提高到(dào)3.2Mbps，證明了(le／liǎo)OFDM在(zài)蜂窩網絡應用中的(de)前景。
在(zài)認識到(dào)OFDM作爲(wéi / wèi)4G标準技術的(de)潛在(zài)可能後，高通公司收購了(le／liǎo)Flarion。這(zhè)宗收購表明OFDM是(shì)下一(yī / yì ／yí)代的(de)無線技術。MIMO在(zài)第三代蜂窩系統、寬帶固定無線系統、高速WLAN和(hé / huò)移動Ad Hoc網絡中處于(yú)采納或部署的(de)不(bù)同階段。
在(zài)Airgo公司的(de)開創性努力下，基于(yú)MIMO OFDM的(de)經濟的(de)WLAN系統在(zài)2003年得以(yǐ)實現，這(zhè)爲(wéi / wèi)無線電産業開辟了(le／liǎo)新的(de)空間。MIMO OFDM将成爲(wéi / wèi)802.11n WLAN的(de)基本調制格式，因爲(wéi / wèi)該标準的(de)每種提案都将MIMO OFDM作爲(wéi / wèi)主要(yào / yāo)方式，以(yǐ)實現比802.11a或802.11g顯著提高的(de)覆蓋範圍和(hé / huò)吞吐量。
廣泛的(de)采納
在(zài)過去幾年，除了(le／liǎo)WLAN以(yǐ)外，MIMO技術還滲透到(dào)其他(tā)很多重要(yào / yāo)的(de)商業無線電市場，如圖2所示。多種基于(yú)MIMO的(de)标準正在(zài)作爲(wéi / wèi)蜂窩網絡的(de)前沿技術出(chū)現。MIMO正在(zài)實行标準化，以(yǐ)作爲(wéi / wèi)HSDPA和(hé / huò)WCDMA的(de)3GPP發展路線圖的(de)一(yī / yì ／yí)部分。
圖1：MIMO在(zài)相同的(de)信道(dào)上(shàng)同時(shí)傳輸幾組信号
圖2：MIMO技術已經獲得廣泛的(de)采用
WiMAX寬帶無線接入網絡和(hé / huò)3G蜂窩移動網絡已經将MIMO作爲(wéi / wèi)提高性能的(de)一(yī / yì ／yí)種可選工作模式。MIMO OFDM已經得到(dào)提議，并作爲(wéi / wèi)WiBro的(de)一(yī / yì ／yí)部分實現，并且已經成爲(wéi / wèi)3GPP LTE标準的(de)可行性研究的(de)一(yī / yì ／yí)部分。
在(zài)北京召開的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)會議上(shàng)，大(dà)多數公司推薦基于(yú)OFDM的(de)下行鏈路用于(yú)3GPP LTE(長期演進)。一(yī / yì ／yí)些主要(yào / yāo)的(de)手機OEM和(hé / huò)網絡提供商正在(zài)開發以(yǐ)及在(zài)實驗室測試基于(yú)MIMO OFDM的(de)下一(yī / yì ／yí)代蜂窩網絡系統。主要(yào / yāo)的(de)手機OEM和(hé / huò)網絡提供商正在(zài)進行研究和(hé / huò)實驗室測試，并發布在(zài)有限的(de)測試環境下實現MIMO的(de)新聞。北電、愛立信、摩托羅拉和(hé / huò)西門子(zǐ)等公司的(de)測試表明了(le／liǎo)該技術的(de)前景。
實現MIMO
Airgo公司在(zài)開發和(hé / huò)發布基于(yú)MIMO的(de)WLAN芯片組的(de)成功證明了(le／liǎo)MIMO在(zài)提高基于(yú)标準OFDM産品的(de)數據速率和(hé / huò)覆蓋範圍上(shàng)非常有效，并提供非常好的(de)頻譜效率。将MIMO應用到(dào)另外一(yī / yì ／yí)種标準，并無需改變該标準的(de)底層無線協議，能獲得性能上(shàng)的(de)提升。但是(shì)從實現的(de)角度來(lái)看，MIMO系統在(zài)架構和(hé / huò)計算上(shàng)非常複雜，需要(yào / yāo)很多複雜的(de)算法、複雜的(de)架構和(hé / huò)更高的(de)數據處理能力。
圖3顯示了(le／liǎo)MIMO OFDM收發器鏈上(shàng)Rx端的(de)典型組件。
圖3：MIMO OFDM系統接收端組件
這(zhè)個(gè)收發器鏈由MIMO部件組成，包括用于(yú)同步的(de)模塊、信道(dào)估計、幹擾處理以(yǐ)及MIMO檢測，還有OFDM部件，如FFT、去交織處理和(hé / huò)解碼。Airgo在(zài)成功開發和(hé / huò)制造三代基于(yú)MIMO OFDM的(de)芯片組上(shàng)具有專業技術、技巧和(hé / huò)經驗，并幫助其客戶有效地(dì / de)将MIMO技術集成到(dào)商業産品中。
Airgo還積累了(le／liǎo)很多重要(yào / yāo)的(de)IP，并對其技術進行了(le／liǎo)仔細優化，包括如低複雜度接收算法、MIMO信道(dào)估計算法、MIMO和(hé / huò)非MIMO收發器的(de)混合、MIMO架構、最優的(de)接收器系統以(yǐ)及無線通信算法等等。此外，大(dà)部分的(de)時(shí)間和(hé / huò)精力花費在(zài)MIMO模塊與OFDM組件的(de)協同優化，包括MIMO OFDM解碼、MIMO分解以(yǐ)及降低算法和(hé / huò)架構複雜度和(hé / huò)降低功耗的(de)最優方法。
MIMO OFDM系統的(de)組件
圖3顯示了(le／liǎo)用于(yú)無線局域網的(de)MIMO OFDM系統如何輕易地(dì / de)用于(yú)實現像3G、WiBro、WiMAX、802.20或者4G之(zhī)類的(de)标準，以(yǐ)及哪些組件需要(yào / yāo)針對新的(de)标準進行調整。如圖所示，對于(yú)任何MIMO系統來(lái)說(shuō)大(dà)部分的(de)組件是(shì)相同的(de)，這(zhè)些組件可以(yǐ)輕易地(dì / de)使用，而(ér)需要(yào / yāo)改變的(de)組件隻限于(yú)系統的(de)OFDM和(hé / huò)編碼部分。
MIMO是(shì)一(yī / yì ／yí)種颠覆性的(de)技術，該技術有望極大(dà)地(dì / de)改變未來(lái)十年的(de)無線電産業。該技術正在(zài)滲透到(dào)每一(yī / yì ／yí)種無線技術标準，包括3G蜂窩網絡、WLAN、WiBro、WiMAX、802.20和(hé / huò)4G蜂窩網絡。很多公司試圖将自己定位于(yú)利用MIMO OFDM技術，以(yǐ)獲得相對于(yú)其他(tā)技術帶來(lái)的(de)數據速率、覆蓋範圍、頻譜效率上(shàng)的(de)好處。
MIMO OFDM技術的(de)先驅Airgo網絡公司通過發布三代集成到(dào)商業産品中的(de)WLAN芯片組，證明了(le／liǎo)MIMO OFDM帶來(lái)的(de)好處。在(zài)這(zhè)些産品的(de)開發過程中，Airgo開發了(le／liǎo)重要(yào / yāo)的(de)專業技術、IP，并獲得創建基于(yú)MIMO OFDM技術的(de)系統的(de)經驗。
作者：Gurinder Dhillon
行銷總監
gdhillon@airgonetworks.com
Airgo網絡公司