所有的無(wú)線技術(shù)都面臨信號(hào)衰落、多徑、不斷增加的干擾和受限制的頻譜的挑戰(zhàn)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在不需要占用額外的無(wú)線電頻率的條件下，利用多徑來(lái)提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，并同時(shí)增加覆蓋范圍和可靠性。它解決了當(dāng)今任何無(wú)線電技術(shù)都面臨的兩個(gè)最困難的問(wèn)題，即速度與覆蓋范圍。
使用MIMO處理的數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)作為具有革命性重要意義的無(wú)線電系統(tǒng)的突破性技術(shù)出現(xiàn)。這種調(diào)制格式顯示出頻譜上的一致性，能實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更高的頻譜效率，允許更大的覆蓋范圍，并支持與現(xiàn)有的OFDM標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容。本文將解釋為何MIMO與其OFDM調(diào)制技術(shù)適合于下一代蜂窩技術(shù)的部署。但是，首先讓我們快速了解一下MIMO技術(shù)。
MIMO基礎(chǔ)
通常提供一個(gè)總結(jié)某種技術(shù)的突出特性的簡(jiǎn)潔定義非常有用。MIMO即為相同的時(shí)間在相同的無(wú)線電信道內(nèi)傳輸?shù)膬蓚€(gè)或更多的數(shù)據(jù)信號(hào)。MIMO是一種在一個(gè)無(wú)線電信道內(nèi)傳輸和接收兩個(gè)或多個(gè)不同的數(shù)據(jù)流的革命性的多維方法，這樣系統(tǒng)在每個(gè)信道內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)率能提高兩倍或更多倍。
如圖1所示，超過(guò)一個(gè)的射頻相干上變頻器和天線被用來(lái)發(fā)送多組信號(hào)，以及超過(guò)一個(gè)射頻相干下變頻器和天線被用于接收信號(hào)。采用MIMO，每個(gè)信道的最大數(shù)據(jù)速率隨著在同一個(gè)信道中傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)流的數(shù)量呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。
MIMO方法通過(guò)一個(gè)無(wú)線信道發(fā)送和接收兩個(gè)或更多的不同數(shù)據(jù)流。這意味著系統(tǒng)可以在每個(gè)信道上提供兩倍或更高的數(shù)據(jù)率。通過(guò)允許同時(shí)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，如圖1所示，MIMO在不使用額外的頻譜條件下使無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸容量數(shù)倍增加。
峰值吞吐量
在MIMO系統(tǒng)中峰值吞吐量增加的倍數(shù)等于在無(wú)線信道中傳輸?shù)男盘?hào)流數(shù)量，由于從不同的無(wú)線電和天線發(fā)送出多個(gè)信號(hào)，MIMO信號(hào)某些時(shí)候被稱為“多維”信號(hào)。傳統(tǒng)的無(wú)線電信號(hào)被稱作“一維信號(hào)”，因?yàn)榧词故鞘褂枚鄠€(gè)天線，在無(wú)線電信道中都只傳送一個(gè)數(shù)據(jù)流。
隨著消費(fèi)者的需求從高帶寬應(yīng)用如互聯(lián)網(wǎng)接入和電子郵件發(fā)展到包含游戲、音頻流和視頻流，對(duì)更高數(shù)據(jù)率的需求不斷增長(zhǎng)。手機(jī)處理器的發(fā)展以及進(jìn)一步的技術(shù)集成(如將更高的數(shù)百萬(wàn)像素相機(jī)、視頻等集成到手機(jī)中)，將只會(huì)增加更多消耗帶寬的應(yīng)用，需要覆蓋范圍更廣以及更有效地利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的有限頻譜。
Airgo網(wǎng)絡(luò)公司在WLAN領(lǐng)域的從MIMO到OFDM的研究、創(chuàng)新、開發(fā)和應(yīng)用，以及隨后802.11n標(biāo)準(zhǔn)組織對(duì)MIMO的采納，都證明MIMO不僅能提供更高的數(shù)據(jù)速率，而且擴(kuò)展了Wi-Fi的覆蓋距離，可以涵蓋更多的移動(dòng)用戶份額。在看到MIMO在提高數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)展覆蓋距離的有效性以及優(yōu)越性后，其它的標(biāo)準(zhǔn)組織意識(shí)到MIMO可以為包括固定移動(dòng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的其它技術(shù)帶來(lái)重大突破。像3G、WiBro、WiMAX、802.20和4G這些標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)在探討MIMO的使用，某些標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)在他們各自的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)采用了該技術(shù)。
到4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展之路
CDMA技術(shù)從誕生之初就是一種革命性技術(shù)。因?yàn)镃DMA技術(shù)相對(duì)于其它技術(shù)如GSM的優(yōu)越性，高通公司不僅推動(dòng)了3GPP2標(biāo)準(zhǔn)，還滲透到了3GPP WCDMA標(biāo)準(zhǔn)。CDMA的巨大成功幫助高通公司從手機(jī)OEM廠商獲取了大量的權(quán)利金。
但是，最近OFDM已經(jīng)開始發(fā)展壯大，并正在以一種未來(lái)新的顛覆性技術(shù)的姿態(tài)出現(xiàn)。OFDM由于能夠在不需要復(fù)雜的均衡算法的條件下解決常見(jiàn)的射頻失真問(wèn)題，以及能在頻域中輕易擴(kuò)展，已經(jīng)表現(xiàn)出其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
在過(guò)去的幾年里，OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到一些無(wú)線應(yīng)用中，如WLAN、廣播(DVB)和WiBro/WiMAX。最近，初創(chuàng)公司Flarion通過(guò)使下行鏈路峰值速率提高到3.2Mbps，證明了OFDM在蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的前景。
在認(rèn)識(shí)到OFDM作為4G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的潛在可能后，高通公司收購(gòu)了Flarion。這宗收購(gòu)表明OFDM是下一代的無(wú)線技術(shù)。MIMO在第三代蜂窩系統(tǒng)、寬帶固定無(wú)線系統(tǒng)、高速WLAN和移動(dòng)Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中處于采納或部署的不同階段。
在Airgo公司的開創(chuàng)性努力下，基于MIMO OFDM的經(jīng)濟(jì)的WLAN系統(tǒng)在2003年得以實(shí)現(xiàn)，這為無(wú)線電產(chǎn)業(yè)開辟了新的空間。MIMO OFDM將成為802.11n WLAN的基本調(diào)制格式，因?yàn)樵摌?biāo)準(zhǔn)的每種提案都將MIMO OFDM作為主要方式，以實(shí)現(xiàn)比802.11a或802.11g顯著提高的覆蓋范圍和吞吐量。
廣泛的采納
在過(guò)去幾年，除了WLAN以外，MIMO技術(shù)還滲透到其他很多重要的商業(yè)無(wú)線電市場(chǎng)，如圖2所示。多種基于MIMO的標(biāo)準(zhǔn)正在作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的前沿技術(shù)出現(xiàn)。MIMO正在實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化，以作為HSDPA和WCDMA的3GPP發(fā)展路線圖的一部分。
圖1：MIMO在相同的信道上同時(shí)傳輸幾組信號(hào)
圖2：MIMO技術(shù)已經(jīng)獲得廣泛的采用
WiMAX寬帶無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)和3G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)將MIMO作為提高性能的一種可選工作模式。MIMO OFDM已經(jīng)得到提議，并作為WiBro的一部分實(shí)現(xiàn)，并且已經(jīng)成為3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)的可行性研究的一部分。
在北京召開的一個(gè)會(huì)議上，大多數(shù)公司推薦基于OFDM的下行鏈路用于3GPP LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))。一些主要的手機(jī)OEM和網(wǎng)絡(luò)提供商正在開發(fā)以及在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試基于MIMO OFDM的下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要的手機(jī)OEM和網(wǎng)絡(luò)提供商正在進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，并發(fā)布在有限的測(cè)試環(huán)境下實(shí)現(xiàn)MIMO的新聞。北電、愛(ài)立信、摩托羅拉和西門子等公司的測(cè)試表明了該技術(shù)的前景。
實(shí)現(xiàn)MIMO
Airgo公司在開發(fā)和發(fā)布基于MIMO的WLAN芯片組的成功證明了MIMO在提高基于標(biāo)準(zhǔn)OFDM產(chǎn)品的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍上非常有效，并提供非常好的頻譜效率。將MIMO應(yīng)用到另外一種標(biāo)準(zhǔn)，并無(wú)需改變?cè)摌?biāo)準(zhǔn)的底層無(wú)線協(xié)議，能獲得性能上的提升。但是從實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)看，MIMO系統(tǒng)在架構(gòu)和計(jì)算上非常復(fù)雜，需要很多復(fù)雜的算法、復(fù)雜的架構(gòu)和更高的數(shù)據(jù)處理能力。
圖3顯示了MIMO OFDM收發(fā)器鏈上Rx端的典型組件。
圖3：MIMO OFDM系統(tǒng)接收端組件
這個(gè)收發(fā)器鏈由MIMO部件組成，包括用于同步的模塊、信道估計(jì)、干擾處理以及MIMO檢測(cè)，還有OFDM部件，如FFT、去交織處理和解碼。Airgo在成功開發(fā)和制造三代基于MIMO OFDM的芯片組上具有專業(yè)技術(shù)、技巧和經(jīng)驗(yàn)，并幫助其客戶有效地將MIMO技術(shù)集成到商業(yè)產(chǎn)品中。
Airgo還積累了很多重要的IP，并對(duì)其技術(shù)進(jìn)行了仔細(xì)優(yōu)化，包括如低復(fù)雜度接收算法、MIMO信道估計(jì)算法、MIMO和非MIMO收發(fā)器的混合、MIMO架構(gòu)、最優(yōu)的接收器系統(tǒng)以及無(wú)線通信算法等等。此外，大部分的時(shí)間和精力花費(fèi)在MIMO模塊與OFDM組件的協(xié)同優(yōu)化，包括MIMO OFDM解碼、MIMO分解以及降低算法和架構(gòu)復(fù)雜度和降低功耗的最優(yōu)方法。
MIMO OFDM系統(tǒng)的組件
圖3顯示了用于無(wú)線局域網(wǎng)的MIMO OFDM系統(tǒng)如何輕易地用于實(shí)現(xiàn)像3G、WiBro、WiMAX、802.20或者4G之類的標(biāo)準(zhǔn)，以及哪些組件需要針對(duì)新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。如圖所示，對(duì)于任何MIMO系統(tǒng)來(lái)說(shuō)大部分的組件是相同的，這些組件可以輕易地使用，而需要改變的組件只限于系統(tǒng)的OFDM和編碼部分。
MIMO是一種顛覆性的技術(shù)，該技術(shù)有望極大地改變未來(lái)十年的無(wú)線電產(chǎn)業(yè)。該技術(shù)正在滲透到每一種無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN、WiBro、WiMAX、802.20和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。很多公司試圖將自己定位于利用MIMO OFDM技術(shù)，以獲得相對(duì)于其他技術(shù)帶來(lái)的數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、頻譜效率上的好處。
MIMO OFDM技術(shù)的先驅(qū)Airgo網(wǎng)絡(luò)公司通過(guò)發(fā)布三代集成到商業(yè)產(chǎn)品中的WLAN芯片組，證明了MIMO OFDM帶來(lái)的好處。在這些產(chǎn)品的開發(fā)過(guò)程中，Airgo開發(fā)了重要的專業(yè)技術(shù)、IP，并獲得創(chuàng)建基于MIMO OFDM技術(shù)的系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)。
作者：Gurinder Dhillon
行銷總監(jiān)
gdhillon@airgonetworks.com
Airgo網(wǎng)絡(luò)公司