MIMO及其對無線局域網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)測試的影響

　　前言

　　發(fā)生了什么樣的技術變化？

　　多路輸入多路輸出（MIMO）技術作為一種關鍵的性能增強技術至今已在WLAN（802.11）系統(tǒng)中運用五年多了。您可能會問，“MIMO系統(tǒng)到底有什么新穎之處，值得我們如此熱烈地討論？”

　　答案就在于無線視頻。無線視頻正迅速地驅動MIMO系統(tǒng)進入平板電腦和其他移動平臺，并正在把WLAN系統(tǒng)的性能推向一個新的高度。用戶也期待基于WLAN技術流暢、可靠的視頻傳送。WLAN以往的應用主要是基本的數(shù)據(jù)傳輸（電子郵件、網(wǎng)上沖浪、文件傳輸?shù)龋?，但是視頻傳送是完全不同的應用，視頻傳送需要低延時和穩(wěn)定高速的數(shù)據(jù)速率來確保圖像的流暢。

　　MIMO技術在視頻傳送中的應用

　　當今，大量的設備正在使用802.11 MIMO 系統(tǒng)進行視頻傳送。典型的應用有平板電腦、筆記本電腦、甚至是智能手機與智能電視的無線連接。此外，802.11 MIMO 系統(tǒng)正日益廣泛地被用于家庭影音環(huán)境，比如說：將視頻內容從一部數(shù)碼錄像機（DVR）傳輸?shù)诫娨暀C或電視機頂盒。這種傳輸方式的好處是能避免特殊的線路連接和復雜的安裝過程。

　　基于 WiFi無線視頻內容共享的主要協(xié)議包括：

　　· Miracast – WiFi Alliance?支持的點對點網(wǎng)絡802.11無線標準，它具有整合1080P 視頻和Dolby? 5.1音頻的能力。安卓（Android）4.2就內置了對Miracast的支持功能。

　　· AirPlay?– Apple公司的專利技術，能由智能手機或平板電腦向連接 Apple TV裝置的電視機傳送視頻、音頻和圖片。

　　· WiFi Direct – 與 Miracast相似的、能整合視頻和音頻信號的點對點無線標準。安卓4.0以上系統(tǒng)都支持此協(xié)議。

　　正是由于上述標準化工作的開展，用MIMO技術增強的802.11技術正在迅速成為移動設備和固定設備之間傳送高清視頻內容的基本技術。

　　MIMO技術在提高可靠性、頻譜效益和吞吐量方面的應用

　　MIMO技術能用于優(yōu)化無線系統(tǒng)的關鍵性能。根據(jù)不同的實施方式，它能改善以下三種系統(tǒng)性能中的任意一種：

　　· 可靠性 – 確保正在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能正確接收

　　· 頻譜效率 – 提高特定帶寬內的數(shù)據(jù)傳輸量

　　· 吞吐量 – 提高無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率

　　系統(tǒng)設計者可選擇在犧牲一個參數(shù)性能（如可靠性）的前提下充分優(yōu)化另一個參數(shù)（如吞吐量），或者以較低的程度對全部參數(shù)（如吞吐量和可靠性）進行優(yōu)化。

　　圖1中假設有一個最佳的高頻譜效益MIMO信道（一個具有奇異值平坦分布特性的信道矩陣），我們發(fā)現(xiàn)，MIMO系統(tǒng)能以低得多的單位信息接收能量獲得較高的頻譜效益。

　　圖1：頻譜效益與信息位能量（Eb/N0，按噪音譜密度歸一化）的關系

　　此圖對四種不同MxM值的MIMO（多路輸入多路輸出）系統(tǒng)進行了比較，并假設采用了有奇異值平坦分布特性的信道矩陣（資料來源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期）。

　　MIMO技術實施時，用戶可使用較高階數(shù)的系統(tǒng)（如更多的發(fā)射機和接收機）以提高覆蓋范圍、可靠性和處理能力（bits/sec/Hz）。當然，這通常會需要更多的天線布置空間以及更大的能耗。圖2表明隨著系統(tǒng)中發(fā)射機/接收機數(shù)量的增加，處理能力也得到相應提高。

　　圖2：高階數(shù)MIMO系統(tǒng)應用對吞吐量的影響

　　在圖2中您將注意到隨著MIMO階數(shù)的提高，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力（bits/sec/Hz）變得更大，這意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，或者可增加更多的用戶數(shù)量。另外，圖中也可以看出，數(shù)據(jù)容量的顯著提高發(fā)生在1級無線設備升級為4級無線設備的過程中，之后，數(shù)據(jù)容量的提高速率逐漸降低。

　　考察當前市場上已有的WLAN MIMO技術解決方案后，我們將發(fā)現(xiàn)智能手機和更小型化的移動裝置幾乎都是單一輸入與單一輸出（SISO）的解決方案。這主要歸因于天線空間和功耗。一個MIMO系統(tǒng)想要正常工作，各天線上的信號就需要不相關，不相關便意味著信號的增加不能以一種信號疊加后會產(chǎn)生峰值的形式進行。在實際應用中，天線與天線間的隔離度需保持在 6 dB左右以確保將實際系統(tǒng)中信號相關性控制在最低程度。這意味著天線與天線之間必須有一定的間距，而像智能手機等裝置中往往沒有多少空間，尤其是考慮到智能手機所必須支持的多種蜂窩通信和無線互聯(lián)技術的頻段時更是如此。

　　平板電腦等較大的裝置則能容納更多的天線和更大的天線間距。截至到本文發(fā)稿時，市場上已推出幾款 2x2 WLAN MIMO型平板電腦，這些產(chǎn)品能利用MIMO技術帶來的更高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和吞吐量。

　　筆記本電腦由于能保證較大的內部天線空間（相當或大于平板電腦）并配備了較大容量的電池（能支持更多的發(fā)射機，也不會降低電池壽命），所以一般都是 2x2 或 3x3 的系統(tǒng)。

　　最后，4x4 WLAN MIMO系統(tǒng)也已開始出現(xiàn)，其初步應用瞄準了機頂盒的視頻傳送性能，因為機頂盒能從這種4x4 MIMO系統(tǒng)所提供的更好的傳輸可靠性和更大的數(shù)據(jù)容量中真正受益。

　　MIMO原理

　　傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)采用單一輸入與單一輸出（SISO）的設置方法，即在無線連接的兩個終端都使用一個發(fā)射機和一個接收機。數(shù)字信號處理領域的最新研究成果為我們帶來了多天線技術，它能顯著地提高數(shù)據(jù)吞吐量和改善無線連接的穩(wěn)定性。這些多天線技術就是我們稱為MIMO（多路輸入多路輸出）的技術，它在無線連接的各個終端都使用多個發(fā)射機和接收機，在一定的信道條件下，能獲得比SISO高出幾倍的吞吐量。

　　MIMO技術僅指出了特定裝置的天線數(shù)量。MIMO定義中的“輸入”和“輸出”二詞分別表示一個無線信號在空間的發(fā)射和接收。而且，這能獨立地應用到上行和下行兩種鏈路中。

　　從這個總的定義出發(fā)我們可以推理出更多特殊的多天線應用實例，如：多重輸入單一輸出（MISO），單一輸入多重輸出（SIMO），以及多路輸入多路輸出（MIMO）。這些實際應用可用圖3表示。SIMO系統(tǒng)由于配備多個接收天線能形成接收分集，而MISO系統(tǒng)因為有多個發(fā)射天線，所以能形成發(fā)射分集。MIMO系統(tǒng)則綜合了SIMO和MISO兩種應用的特點，它能同時利用發(fā)射分集和接收分集特性來改善無線連接的穩(wěn)定性，同時使用多個可辨別的空間信道來提高無線連接的吞吐量。本文將集中討論MIMO系統(tǒng)。

　　圖3：MISO、SIMO和MIMO構架

　　MIMO技術根據(jù)信道條件可分為兩種工作模式，即空間復用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-時分組編碼（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO裝置會根據(jù)信道條件在SM和STBC兩種模式中動態(tài)切換以實現(xiàn)最佳性能。

　　空間復用模式

　　空間復用模式（SM）的基本原理是用每根天線發(fā)送相互獨立的數(shù)據(jù)。從各天線發(fā)送的數(shù)據(jù)會在接收機端經(jīng)過適當?shù)男盘柼幚砗蟊环蛛x，這種處理通常會包含線性去相關檢測和非線性干擾解除兩個操作。

　　我們平時提到MIMO時通常是在說SM工作模式，因為這種模式具有顯著提高無線連接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依賴一定的信道條件和信噪比（SNR）。多徑信道通常要求較高的非相關性。與SISO傳輸方式相比，對于相同的調制和編碼方法，多徑信道信噪比（SNR）要求也更高。

　　IEEE 802.11標準定義了兩個SM技術：直接映射和空間擴展。使用直接映射技術時，每個MIMO數(shù)據(jù)流都通過一個發(fā)送鏈路傳送，數(shù)據(jù)流與傳送鏈路之間是1對1的映射關系。使用空間擴展技術時，MIMO數(shù)據(jù)流先按信道評估情況用一個矩陣復用，然后再通過不同的發(fā)送信道予以傳輸。圖4直觀地表示了直接映射技術和空間擴展技術的特點。

　　圖4：直接映射和空間擴展