MIMO以屡次元传输方案提升传输容量

2019-04-25 17:37:18 来源: 保定信息港

MIMO技术可以大幅改良WLAN的涵盖范围与传输速率。

当家庭宽带络连结、HDTV无线实时传播等不容许延迟且频宽需求大的多媒体运用,和娱乐设备分散和分享内容的运用愈来愈普遍时,无线通讯技术也被要求在有限频谱的条件下提高其效能。

我们需要能更有效率地高速传送高品质信号的技术,而这类技术又不能用到额外的波段频宽。多进多出(Multiple-input,multiple-output;MIMO)技术正是能克服信号衰落、干扰增加及有限频谱等无线通讯挑战的解决方案。它在不占用更多频宽的情况下,除能让传输速率倍增,也同时能增加传输范围和使用的稳定性。

一个多次元传输方案

MIMO技术是一个能在单一射频信道中收发两个或多个资料信号流的技术。它采取屡次元传输方案:通过一个单一射频信道来收发两个或多个的信号流,如此一来,无线通讯系统就能在一个信道中达到两倍或两倍以上的数据传输。在系统中,用一个以上高整合的射频升频器(upconverter)和天线来传送这些多重信号,同时也有一个以上高整合的射频降频器(downconverter)和天线来接收这些多重信号。采取MIMO技术,每一个信道的数据传输速率将随着信道中传送的不同资料流数目而呈线性增长。

由于具有同时传送多重资料流的能力,MIMO可以在不用到额外频谱的条件下让无线信号的传输能力倍增。MIMO系统的峰值传输速率(peakthroughput)随微波信道中传送的数据流数目而增加,也由于在不同的天线和信道中传送多重信号,MIMO信号有时也被称为“多次元信号”(multi-dimensionalsignal)。

除了让相同信道中的信号速率倍增外,妥善设计的MIMO系统还可以藉由高频谱效率和更高的远程传输速率(throughput-at-range)来增加覆盖范围和稳定性。MIMO系统对“有效传输速率”(effectivethroughput,距发射器特定距离所丈量到的传输速率)的提升比对“峰值传输速率”(peakthroughput,距发射器很近的地方丈量到的传输速率)的提升效果还要好,独立的测试显示一个设计良好的WLANMIMO系统可以将有效涵盖范围提升8倍,同时也能将有效传输速率提升六倍。

MIMO并不是一般的智能型天线系统

其它一些多天线传送及接收技术常常会和MIMO技术相混淆,这些技术包括发射波束成形(transmitterbeam-forming)和接收多样性(receiverdiversity)。这类技术虽然可以改良一般传统一次元信号的覆盖范围,也很适合户外点对点连结(wirelessbackhaul)等特定运用,但它们还是没法到达真正MIMO系统让传输容量倍增的效果。

波束成形虽然能为某些应用提供更广的传送范围,但它的一些严重的负面因素却不能被忽视,例如会造成一些隐蔽节点、可以支持的终端设备数目会减少,以及在高电力消耗的限制下对射频传送器的数目造成限制。

再来看看接收多样性(antennadiversity)方案,为了接收强的信号和改良可靠性,多样性天线在数个天线间切换选择,但由于没有额外的信号处理,信号的品质并没有改变。接收汇整技术的情况也很类似,它虽然能通过多个天线来进行信号处理,但因信号衰减和多径反射的影响,这项技术也不能增加数据传输速率或传输容量。

其它会和MIMO混淆的技术还包括数据压缩(datacompression)和射频信道汇整(radiochannelcombining)。在多数的络应用上,数据压缩技术实际上并没有增加资料的传输速率;信道汇整技术则在许多国家(如日本)遭受到频段未开放而不能合法使用的问题。信道汇整技术的另一个问题是它可能会干扰到在同一络中的其它络装备,这类会对邻近无线络造成负面冲击的情况,让信道汇整常被视为是一种“坏邻居”的技术。

与信道汇整技术不同的是,MIMO不需要增加射频信道的使用数目就能达到更高的数据传输速率;不仅如此,MIMO具有与其它装备的向下兼容性和互通操作性,而且不会对其他的络造成干扰。

MIMO如何运作

在图3中说明了MIMO运作的方式:MO系统将一个数据流分为数个数据流;2.每一个数据流被模块化编码;3.通过不同的射频天线链,同时在同一频率信道中被传送;4. 经过多径反射后,每个接收天线射频链都有多个传送数据流的线性汇整;5. 在接收器中使用MIMO算法将这些资料流分开,算法是依每一个发射器和接收器之间的所有信道来做估算。

每一个多径路线可以被视为是创造多重“虚拟线路”的个别信道,它们都能用来传送信号。MIMO的多个空间性分离的天线可以充分发挥由多径创造的虚拟线路,并传送更多数据。除让传输速率倍增外,由于每个接收天线对于个别传送数据流都进行计算,传输范围也因此能增加,这也是天线多样性的一种优点。

每个多径路线可以被视为是创造多重“虚拟线路”的个别信道,它们都能用来传送信号。MIMO的多个空间性分离的天线可以充分发挥由多径创造的虚拟线路,并传送更多数据。除让传输速率倍增外,由于每一个接收天线对于个别传送数据流都进行计算,传输范围也因此能增加,这也是天线多样性的一种优点。

802.11 MIMO OFDM发射器

一个基本的MIMO-OFDM发射器流程如图4所示,图中显示主要的处理区块包括数字(绿色)、混合信号(蓝色)和摹拟(黄色)等功能。两个发射器天线和两组在一起的OFDM调制器、数字-摹拟转换器(DAC)、摹拟调制器(RF前端)、功率放大器(PA)和全向性(omni-patterned)天线。

双天线MIMO发射器是一个由两组同一来源的模拟链(DAC和RF电路)及全向性天线组成的数字调制器,因此,802.11MIMO-OFDM的传输和两个在相同信道中同步的802.11OFDM传输是完全一样的,只不过传送的是不同的数字资料。

如图4所示,信息源杂散化以后,以过剩前向纠错(FEC,ForwardErrorCorrectionredundancy)的方式作编码。为了让这些编码位的传送次序随机化,这些编码过的位会被分别交叉放置到不同的天线发射链中,也就是连续的编码位被随机送到不同的OFDM调制器,每个调制器再将编码位往后送到发射处理链及天线。

MIMO并不是发射波束成形技术

MIMO采取的技术和一般的发射波束成形(有时被称为“智能型天线”)技术是相对的,后者的基本原理是调整普通信号的振幅和相位来建构个别的天线信号。

图5所示的是发射器数字信号处理部份的双天线波束成形系统,信息资料被编码和插入OFDM载波中,在该情况中的交错器(Interleaver)并不是将编码过的位送到不同的天线,而只是送到不同的频率中,这个发射器只用了一个OFDM调制器。波形依照个别天线做振幅和相位的调剂,再分成w(1)和w(2)送到天线,每个OFDM可能会有不同的相位和振幅值。

虽然对于户外点对点无线连结等特定运用来说,这样的作法有其优势,但它并不能增加无线络的整体传输速率,也不能为家庭及办公室的多用户无线络提供一个可靠的环境。

Airgo的True MIMO建置技术

专注于MIMO技术开发的Airgo将MIMOOFDM系统带到WLAN应用市场。

在本日IEEE802.11a/b/g标准的基础下,Airgo的TrueMIMO芯片组、软件和参考设计都和Wi-Fia/b/g装备及络完全兼容而具有互通操作性, 不仅如此,它还同时提供了MIMO延伸的效能。True MIMO解决方案也展现出能改进同一络中非Wi-Fi装备的效能表现。

MIMO在802.11n和Wi-Fi未来运用中的角色

对无线通讯领域来说,一直在寻求能到达更高传输速率、更广的覆盖范围和更可靠的解决方案,MIMO为这样的需求提供了一个创新的方案,而且不需要使用更多的频谱。

在MIMO技术的优势下,WLAN可以用来传送不容许延迟、需要大量频宽的多媒体应用,例如HDTV无线实时传播,它也为企业或家庭提供了在更大覆盖范围中更可靠及更高速率的传输,而且让不断提升的络连结速度能充分发挥其好处。使用者不用再因连结速度慢、覆盖范围不足或不可靠的连结而感到挫折。

MIMO已被用来做为定义下一代Wi-Fi,也就是IEEE802.11n标准的基础。未来MIMO将广泛地被用在Wi-Fi装备上,从家庭中的文娱系统到多媒体服务器、手持式计算机或VoIP等装备中都可以发现MIMO。不仅如此,MIMO在频谱效率和效能表现上的优势,让它也很合适被用在广域无线的运用市场。

当IEEE802.11n的标准完成并正式被批准,而Wi-Fi同盟也开始针对此标准进行互连性认证后,MIMO系统会是本日802.11a/b/g标准的强大且完全兼容的技术延伸,为使用者提供了市场上的无线传输表现,并保存了现存Wi-Fi系统的完全功能。

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