MIMO：一個(gè)以多次元傳輸方案提升傳輸容量的新技術(shù)

　　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(guò)一個(gè)單一射頻信道來(lái)收發(fā)兩個(gè)或多個(gè)的信號流，如此一來(lái)，無(wú)線(xiàn)通訊系統就能在一個(gè)信道中達到兩倍或兩倍以上的數據傳輸。在系統中，用一個(gè)以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線(xiàn)來(lái)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(xiàn)來(lái)接收這些多重信號。采用MIMO技術(shù)，每個(gè)信道的最大數據傳輸速率將隨著(zhù)信道中傳送的不同資料流數目而呈線(xiàn)性增長(cháng)。
　　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(wú)線(xiàn)信號的傳輸能力倍增。MIMO系統的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波信道中傳送的數據流數目而增加，也因為在不同的天線(xiàn)和信道中傳送多重信號，MIMO信號有時(shí)也被稱(chēng)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，妥善設計的MIMO系統還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率（throughput-at-range）來(lái)增加覆蓋范圍和穩定性。MIMO系統對“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，獨立的測試顯示一個(gè)設計良好的WLAN MIMO系統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(xiàn)系統
　　其它一些多天線(xiàn)傳送及接收技術(shù)常常會(huì )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(lèi)技術(shù)雖然可以改善一般傳統一次元信號的覆蓋范圍，也很適合戶(hù)外點(diǎn)對點(diǎn)連結（wireless backhaul）等特定應用，但它們還是無(wú)法達到真正MIMO系統讓傳輸容量倍增的效果。
　　波束成形雖然能為某些應用提供更廣的傳送范圍，但它的一些嚴重的負面因素卻不能被忽視，例如會(huì )造成一些隱蔽節點(diǎn)、可以支持的終端設備數目會(huì )減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數目造成限制。
　　再來(lái)看看接收多樣性(antenna diversity)方案，為了接收最強的信號和改善可靠性，多樣性天線(xiàn)在數個(gè)天線(xiàn)間切換選擇，但由于沒(méi)有額外的信號處理，信號的品質(zhì)并沒(méi)有改變。接收匯整技術(shù)的情況也很相似，它雖然能通過(guò)多個(gè)天線(xiàn)來(lái)進(jìn)行信號處理，但因信號衰減和多徑反射的影響，這項技術(shù)也不能增加數據傳輸速率或傳輸容量。
　　其它會(huì )和MIMO混淆的技術(shù)還包括數據壓縮（data compression）和射頻信道匯整（radio channel combining）。在多數的網(wǎng)絡(luò )應用上，數據壓縮技術(shù)實(shí)際上并沒(méi)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(kāi)放而不能合法使用的問(wèn)題。信道匯整技術(shù)的另一個(gè)問(wèn)題是它可能會(huì )干擾到在同一網(wǎng)絡(luò )中的其它網(wǎng)絡(luò )設備，這種會(huì )對鄰近無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )造成負面沖擊的情況，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目就能達到更高的數據傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其它設備的向下兼容性和互通操作性，而且不會(huì )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(xiàn)技術(shù)中，MIMO是唯一能在系統的單一信道或每MHz頻段中，以?xún)杀痘騼杀兑陨系姆逯蒂Y料速率來(lái)提升頻譜效能（spectral capacity）的技術(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，在WLAN或Wi-Fi的應用中，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頻寬中的峰值表現上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；信道匯整技術(shù)雖然也能達到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(xiàn)的其它系統具有至少二倍的傳送能力。

　　從Marconi到MIMO：開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通訊不需要直線(xiàn)對傳（line-of-site）。然而，在接下來(lái)的一百年當中，無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的專(zhuān)家認為多路徑的信號反射，也就是從多個(gè)路徑到達接收器的情況是造成射頻連結難以維持好品質(zhì)的一項嚴重問(wèn)題。
　　在20世紀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)能提升射頻系統的傳輸能力。1996年，這個(gè)完全顛覆百年來(lái)射頻架構思考的新觀(guān)念首度在學(xué)術(shù)論文中以數學(xué)方式被證實(shí)。
　　這個(gè)革命性的作法把香農極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑信道傳送的MIMO系統上，它藉由射頻信號經(jīng)由對象反彈后再由接收器分開(kāi)來(lái)接收的所謂空間多任務(wù) (Spatial Multiplexing) 原理來(lái)傳送比過(guò)去所能想象得到的可行方式還要多的信息。通過(guò)連結兩端的多重天線(xiàn)的使用和復雜的數字信號處理演算，MIMO確實(shí)運用多徑反射來(lái)改善效能—— 這可以稱(chēng)得上是現代射頻架構的一次演進(jìn)。