上網時間 : 2006年01月12日
廣域無線網路廠商們正越來越多地涉足行動寬頻接取和豐富多媒體業務，這些業務對無線網路提出了極大的挑戰，廠商需要對網路容量、用戶數據速率、距離和覆蓋品質做較大的改進，而多輸入多輸出(MIMO)智慧天線技術提供的潛在性能增益能夠有效地解決這些挑戰。
廣域無線網路廠商們正越來越多地採用行動寬頻接取策略和豐富多媒體業務策略，這些策略對他們的無線網路提出了極大的挑戰。為了設立和維持獲利的商業模型，需要對網路容量、用戶數據速率、距離和覆蓋品質做較大的改進。廠商對MIMO等智慧天線技術提供的潛在性能增益的興趣越來越大，因為這些技術能夠滿足這些挑戰，因而帶來網路的發展。在無線區域網路(WLAN)領域已有實際應用的MIMO以及近來客戶端設備技術的不斷進步將促進廣域網路中MIMO應用的普及。
促使MIMO在區域網路領域取得成功的許多區域網路固有特性與廣域網路環境有著很大的區別，因此我們必須謹慎地對待這種在不同應用中的轉變。在下面對廣域網路MIMO應用的簡要說明中，我們將重點突出干擾和有限散射特性，這二者是最重要的區別，也是實現中需要著重考慮的因素。對無線廠商來說有個好消息，即在廣域網路中確實可以實現MIMO的大部份理論增益，條件是採用具有網路意識(network-aware)的解決方案，這樣的方案能夠減少多蜂巢式環境中的干擾，並保持受限散射條件下的執行穩定性。另外值得注意的是，由於無需對現有無線協議作任何修改就能獲得這些性能增益，因此廣域網路中的MIMO要比一般想像中更容易實現。
定義MIMO技術
由於用戶端設備對成本具有較大的敏感性，因此在目前商業廣域網路中的智慧天線配置只是在鏈路的基地台側使用多幅天線，而客戶端設備只有一幅天線。隨著改善廣域網路經濟的壓力不斷增大，以及客戶端設備晶片整合度提高，以及對客戶端增加智慧天線處理的邊緣成本的降低，廠商對在鏈路兩端都使用智慧天線的解決方案興趣也越來越大。
圖1：在基地台(BS)和客戶設備(CD)之間具有兩條主導傳播路徑的無線訊息通道，如圖中箭頭所示，該訊息通道疊加在基地台標稱的120°扇區傳送範圍中。
兩端同時用多幅天線將可以採用許多新的傳輸技術，這些技術在僅單端使用多幅天線的系統中是不可行的，在大多數情況下應用這些技術將提供更多的系統性能增益。
業界對智慧天線的討論，包括對用於各種不同實現中的術語有完全不同的定義，因此有必要簡要介紹分類適用方法。先來看最簡單的例子，考慮在鏈路的每端都只有一幅天線的某個系統，雖然訊號向所有方向(一般在120°扇區內)發送，但某個具體的無線訊息通道可能只有兩條主導路徑，如圖1所示。本文所示例子是一個位於高處的基地台與一個位於路面的行動手機(更廣泛地說是‘客戶設備’，因為有可能是行動運算平台)之間的通訊，大部份接收訊號來自於鄰近建築物的反射。這是一個單輸入單輸出(SISO)的訊息通道。需注意的是，在無線通訊領域中所說的術語‘輸入’和‘輸出’是針對訊息通道本身而言，並非以訊息通道兩端的設備為參考。
本文討論的是最簡單的，也是目前最常見的智慧天線。如果接收器有一幅以上的天線，那麼它能智慧地組合來自不同天線接收到的訊號，並識別出訊號確實是來自兩個主要方向。它具有這個功能的原因是因為兩條路徑有不同的空間特性(spatial characteristic)或不同的空間特徵(spatial signature)。由於接收器能識別這兩種不同的空間特徵，因此它能組合來自兩個天線的訊號，並將二者累加起來形成更強的組合訊號。這種方式被稱為單輸入[到訊息通道1]多輸出[自訊息通道1](或SIMO)方式，這就是有名的接收器分集方案。接收分集技術被廣泛用於2G和現在的3G蜂巢式網路的鏈路基地台側。
反過來，如果發送器有多幅天線，而接收器只有一幅天線，訊號將仍沿相同的路徑傳播，因為實體環境沒變(建築物仍在那兒)。這種傳播方式稱為多輸入單輸出(MISO)方式。與SIMO相較，MISO的最大不同在於訊號組合必須在發送端完成，而不是在接收端。透過仔細調整發送天線，兩條路徑能夠以與SIMO相同的方式完成疊加。這種方法被廣泛用於PHS和HC-SDMA(大容量空分多址)系統，這種系統的基地台側有多幅用於接收 (工作在SIMO模式)和發送(工作在MISO模式)的天線。
在鏈路兩端提供多幅天線的方式就是MIMO方式。在這種情況下，可以更高效地使用這兩條路徑，如圖2所示。發送器可以透過調整它的天線以讓圖2中藍色所示的資訊串流沿第一條路徑(也就是空間特徵)發送，而橙色所示的另外一條資訊串流沿另一條路徑發送。因為接收器也有多幅天線，因此它可以透過檢測不同的空間特徵把兩條串流分開來。在這種情況下，發送器可以發送兩個完全不同的數據串流，從用戶看來相當於將數據速率提高了一倍。與單獨的MISO或SIMO處理相較，這種方式在最佳狀態下具有材料上的優勢，這種MIMO優勢的取得不需要增加額外的頻寬和功率。一般會降低單天線鏈路性能的多徑傳輸在MIMO方式中反而會提高訊息通道效率和品質。
MIMO系統能夠利用多徑傳播的前提是在傳播環境中存在這些空間維數，對這一點的理解非常重要。在圖2中，一共有4幅天線，但只有兩條主導路徑。在這種情況下即使有4幅天線也只能形成兩條數據串流。因此MIMO性能與系統應用環境中多徑的豐富程度密切相關。幸運的是，在許多環境中存在足夠多支援多個平行數據串流的散射和多徑傳播。
圖2：具有兩個主導傳播路徑的通訊訊息通道在MIMO方式下可以使用戶數據速率加倍。值得注意的是，多天線處理可以完成波束整形，因而使訊號沿著感興趣的訊息通道傳播，而另外一個主導訊息通道則不傳訊號。
資訊理論的研究顯示，如果鏈路兩端都使用多幅天線，那麼代表了數據速率上限的系統容量將隨天線數量的增加而呈線性成長(在確定的訊息通道前提下，並保持整體功率不變)。具有相同數量發送和接收天線的不同MIMO系統的理論容量如圖3所示，8×8 MIMO系統(即鏈路的每端有8幅天線)的容量最多可以達到單天線系統容量的8倍。考慮所有的網路的營運和資本開銷，MIMO技術提供的性能和經濟效益要比單天線系統高出許多。特別是對於高數據速率的業務，如真正的寬頻接取、IPTV和大型文件傳輸，在這些應用中受限的頻寬會引起嚴重的問題，而MIMO技術則是很有前途的一種解決方案。
圖3的預測值只顯示了理想系統的性能極限。資訊理論對如何達到這些極限值沒有提供太多的實用性指導意見，實際系統面臨著如何充分利用訊息通道提供的空間維度的挑戰。大體上有三種主要推薦的訊息通道利用方法，前兩種方法著重單條鏈路的性能，第三種著重整個網路性能：
1. 提高數據速率
上文討論的技術(如圖2中所示)通常稱為空間再使用。對於有豐富散射環境的訊息通道來說，透過在每幅天線上發送獨立的資訊串流可以提高數據速率，使用較為成熟的接收器技術可以將不同的數據串流分離開來並進行單獨解碼。如使用4幅發送和4幅接收天線的系統容量將達到單天線系統的 4倍。
2. 透過分集技術改善服務品質
相反，如果在多幅天線多個符號(symbol)上發送相同的訊號，那麼就可以改善傳輸的可靠性，而不是提高數據速率。實際上在不同天線和不同時間點發送多份訊號拷貝的這種技術提供了空間-時間的分集。同時在空間和時間上傳播或編碼資訊符號的技術被稱為空間－時間編碼技術。
3. 透過減輕干擾獲得更高的數據速率和更好的服務品質
MIMO系統中利用空間維度的另外一種適合更多干擾環境的方法是最佳化整個系統中的射頻能量分佈，盡量減少網路中共訊息通道干擾的產生和敏感度。本文最後部份將詳細討論這種方法。利用更高的SINR和經典分集可提供更高的數據速率和更具強韌性的鏈路，更高的SINR可實現更高的調變等級，因此鏈路可達到更高的數據速率，而經典分集可增加鏈路穩定性。就像在MISO系統中，基地台用多個空間訊息通道來實現客戶設備一致的組合能量那樣，這些訊息通道被客戶端用來改善這些空間‘方向’中的有效靈敏度(像SIMO系統那樣)，降低基地台發送所需的功率。相反的過程在上行鏈路上完成。基地台和客戶設備透過自動一致地執行降低系統中的干擾水準。就像後文所要討論的那樣，整個網路性能是廣域網路系統最佳化的關鍵方面，而降低干擾是提高寬頻網路性能的主要驅動力。
全球的研究實驗室業已證明MIMO技術在早期的無線區域網路應用中的實際可行性，其系統容量非常接近實驗室中同時使用空間再使用和空間－時間編碼技術所能達到的理論預測值。由於在最初應用中獲得了巨大性能增益，MIMO技術很快走出實驗室，並應用於實際的WLAN產品中。
MIMO在WiFi上取得的成功
宣傳最多的MIMO實現是在固定的無線區域網路環境中，在這種環境中MIMO的最大好處是提高了單一用戶設備的吞吐量。特別是家庭和企業級WLAN所具有的多個特性使它們成為最早採納MIMO的理想候選網路，這些特性包括：
1. 豐富的散射
大多數WiFi系統都處在有大量散射條件的環境中，如室內或密集的城市建築物間。在這些環境中通常有多條傳播路徑或空間維度可用來形成多個串流。事實上，室內環境與獲得圖3所示的容量隨天線數量增加而呈線性成長所需的條件非常相似。
2. 獨立部署
圖3：具有N幅發送和接收天線的MIMO系統在保持總發送功率不變的條件下理論平均容量相對訊息噪音比(SNR)曲線。
獲得快速部署的一個重要因素是WiFi設備通常是最終用戶自己購買的，並且在他們自己的網路中是獨立部署的。不同MIMO WiFi解決方案的互通作業性並不成問題，就像IEEE 802.11n產品在公共MIMO標準獲得一致意見之前取得成功所顯示的那樣，允許快速部署MIMO技術，不需要等到標準的統一。
3. 有限的干擾
同樣關鍵的是WiFi環境非常接近研究MIMO技術的理論假設。由於WiFi網路的短距離和動態訊息通道分配特性，MIMO接收器一般工作時沒有很大的共訊息通道干擾。如果工作在沒有補償的共訊息通道干擾環境中，這些解決方案的性能會很快下降。
MIMO在WiFi中的成功部署顯示由MIMO提供的潛在性能改善是真實的。從實驗室結果走向實際應用僅花了短短幾年時間，這對廣域網路無線網路廠商來說意味著再次取得成功的機會非常大。
廣域網路所面臨的挑戰
使MIMO在WiFi產品中得到成功應用的性能優勢同樣使MIMO成為廣域無線行動環境中的一種可能的技術選擇。然而，行動、多蜂巢式環境與WiFi射頻環境在某些方面有本質的區別，因此行動環境面臨諸多配置方面的挑戰。
1. 干擾
由於採用密集的和大蜂巢式部署方式，廣域環境中的干擾特別嚴重。在這種環境中，干擾抑制和大吞吐量性能都是必需的。因此，為了將MIMO在WLAN的成功應用經驗推廣到廣域網路和行動寬頻數據業務，必須採用新的MIMO解決方案，並且要兼顧干擾和數據速率。
2. 有限散射
在某些情況下，廣域散射環境只能有一條或兩條主導路徑。例如，如果是視距(LOS)傳播，那麼就只有一條主導傳播路徑，也就限制了空間再使用技術的使用。
3. 互通作業性
在廣域網路中，所有用戶都需要無縫地透過大型網路(跨越地區和廠商)與基地台進行通訊，因此必須支援互通作業性。像上述使用空間再使用或空間－時間編碼技術的解決方案需要修改協議，因此會大幅增加廣域網路中的MIMO解決方案產品的上市時間。例如，接收器需要知道發送器使用的空間－時間程式碼才能正確地對數據解碼。將MIMO納入行動系統的工作已經在多個標準化組織中展開，如IEEE 802.16e標準，但具有強韌性的商用產品仍需相當一段時間才能正式上市。
這些因素使得在廣域網路中採用MIMO會比WiFi面臨更多的挑戰，需要採用能夠解決大型多蜂巢式網路特有屬性的新解決方案。MIMO在廣域網路中的成功實現將取決於下面兩個關鍵屬性：
干擾抑制。在廣域網路中為了減少干擾，至少要部份使用透過鏈路兩端的天線陣列獲得的更多自由度。與只在單端進行干擾抑制的系統相較，在發送器和接收器端同時進行干擾抑制可以顯著地減少網路干擾。
強韌性解決方案。需要開發出能夠解決主導傳播路徑數量有限的方案，即使在有限散射的訊息通道中，透過發送器和接收器端組合訊號仍可以獲得顯著的性能增益。最近的研究顯示，即使是只有一條主導傳播路徑的訊息通道(也稱為鎖眼訊息通道，key-hole channel)，在鏈路兩端同時使用智慧天線技術仍能獲得可觀的性能增益。
用於廣域網路的MIMO
不需要修改已有協議，也不用等到新協議完成就能在現有廣域網路中獲得顯著的MIMO增益。基地台採用自適應陣列處理技術、行動終端採用類似處理技術即可獲得明顯的性能改善，這就是上文提到的第三種基本MIMO方法。事實上，理論研究也指出，這是在廣域網路中最常見的多訊息通道條件下所採取的最佳方法。同時增強訊號強度和干擾抑制性能對推進廣域網路的發展、支援廠商越來越高的頻寬和多媒體業務目標顯得尤為重要。
下面介紹能夠平衡干擾抑制和吞吐量的解決方案。基地台透過運算天線陣列的組合權重盡量減少基地台方面的干擾。同樣，行動終端使用它的天線陣列減少手機方面的干擾。由於在基地台或客戶設備上都不需要特殊的鏈路編碼，因此MIMO處理的實現和作業可以完全獨立於每個設備。結果將形成一個自組織和自最佳化的系統，它能連續適應變化的干擾環境和用戶不斷變化的業務需求。由於這種MIMO方法中鏈路兩端設備是互相獨立的，因此即使在不同種類網路或正升級變化中的網路(不是所有基地台和客戶設備都裝備有多幅天線的網路)條件下也能提供優異的性能。單天線終端可以使用SIMO(發送中)或 MISO(接收中)訊息通道簡單地加入這樣的網格，並與多天線終端一起工作。這種干擾最小化MIMO技術所帶來的整體網路性能將隨著系統中多天線設備的增多而日益增強。
本文小結
MIMO技術提供的性能增益為推動無線通訊的下一步發展提供了極具前景的動力。為WiFi市場和廣域網路提供性能增強的 MIMO設備不久就會上市。然而，廣域行動無線系統中的射頻環境與WiFi完全不同，干擾是最大的挑戰。幸運的是，現在已經有了基於自適應天線處理技術的廣域網路MIMO解決方案，能夠在單天線系統中提供巨大的性能增益。這些解決方案透過多幅天線和訊息通道內部固有的空間維數可以完全滿足干擾和吞吐量要求。而且大部份增益性能可以在不修改協議的條件下實現，相信在不遠的將來這些解決方案很快會得到廣泛應用。因此，廣域MIMO應用可能要比想像的更容易實現。
作者：Steven Glapa
行銷總監
Email: sglapa@arraycomm.com
ArrayComm公司
