儘管MIMO技術已在多項通訊技術領域大為盛行，不過該技術仍面臨如何提升頻譜效率、多重天線設計等考驗。因此，對於4G候選技術而言，如何掌握MIMO技術，將左右勝負關鍵。
近期通訊市場在底層語音和資料服務技術的發展趨勢，是在同一頻譜上提供更高的資料速率，以滿足日益增長的用戶需求。本文綜述了多重輸入多重輸出(MIMO)傳輸機制的底層標準，包括IEEE 802.16e mobile-WiMAX Wave 2、加強版高速封包存取(HSPA+)和長程演進計畫(LTE)等。其中涉及廣大工程師們在設計基於多射頻/天線技術的產品時用到的MIMO訊號發生、調變品質測量、通道模擬和波束形成(Beam Foming)理論。而這些技術在在左右未來4G無線通訊之發展。
水能載舟亦能覆舟 MIMO帶來高度傳輸速率/複雜度
MIMO技術將頻譜效率提升到了一個全新的水準，根據其採用的傳輸技術，能夠實現更高的資料吞吐率或者更大的覆蓋率。但是，頻譜效率的提高是以更高的複雜性為代價的。從概念上看，MIMO技術非常簡單：它採用多路射頻載波傳輸更多的資訊，通過在占用相同頻寬的同一通道上傳輸所有訊號的方式來提高頻譜效率。例如，2×2的MIMO射頻具有兩個發射器和兩個接收器，4×4的MIMO具有四個發射器和四個接收器。
目前很多MIMO系統都採用2×2配置架構，但是市場的發展將會出現更大規模的配置。無線區域網路(WLAN)、全球微波存取互通介面(WiMAX)和LTE已經採用了4×4的配置架構。目前人們研究的波束形成技術旨在在設備內配置更大規模的射頻系統，以便為用戶盡可能提供最多的服務。目前8×8甚至16×16的射頻配置是商用寬頻射頻研究領域的主流。
MIMO的工作原理是對傳輸通道進行精確模組化，將多個接收到的符號分解恢復成單路資料流程。為了說明這一原理，可以WLAN IEEE 802.11n為例(圖1)。發射器以一個表頭的形式發出一個已知訊號。接收器然後據此構建一個通道模型，用H表示。當發出資料時，接收器根據通道模型盡可能逼近原始向量，其中假設傳輸誤差用雜訊向量(n)表示。
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| 圖1 傳輸通道的原理 |
儘管通道建模理論適用於所有MIMO系統，但此方法仍有所不同的。例如，在基於WLAN IEEE 802.11n的系統中，表頭資訊在TX1和TX2上都進行發射，但是基於WiMAX IEEE 802.16e Wave 2的系統，僅僅在第一個發射器上發射表頭。經過解析的傳輸路徑(即h11和和h22)稱為空間串流。
時間對準成測量關鍵
通道使訊號發生失真有多種情況，例如周圍物體的反射會導致訊號的多個情況在不同的時間到達接收器(多路徑)。多路徑造成了振幅衰減，以及時間和相位的延遲。從理論上看，某個訊號的通道失真越多，接收器演算法就越難解析出原始發射訊號。如果發射器或者接收器進一步引入了振幅、時間和相位誤差，就無法對通道進行準確的塑造，就不能有效地解析出符號。
為了確保MIMO的測量有效而準確，所採用的測量設備，即訊號源(發射器)和分析儀(接收器)，必須與本地的振盪器進行相位對準，並與參考頻率進行時間對準，確保D/A和A/D取樣率一致，以盡可能減少們對通道的影響。理想狀況下，如果相位誤差低於1度，時間對準誤差小於1奈秒，就可以得到準確的結果。以下介紹可能影響系統性能之關鍵指標。
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對於大多數傳統數位傳輸系統而言，衡量調變品質的關鍵指標是實際接收到的符號向量(或符號相位與幅值失真)與接收器期望值的對比情況。最常用的是誤差向量振幅(EVM)，但是不同的通訊標準也存在不同的指標，例如相對星座誤差(Relative Constellation Error, RCE)。對於MIMO系統，總EVM也是一個很好的衡量指標；通過計算RMS EVM可以從總體上表示各個發射器的調變品質。 |
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星座圖是接收訊號質量的圖形化表示。MIMO系統有多種星座圖。2×2系統有兩個星圖，表示兩個解析出的空間串流：h11和h22。4×4系統有四個星座圖。對於傳統的數位系統，可以從星座圖中得到同樣的品質指標，例如相位誤差、雜訊和IQ平衡。 |
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通道反應是表示空間串流行為的一個關鍵指標。在圖2中，兩個發射器通過同軸電纜直接連接接收器。兩條平直的線表示h11和h22，而兩條像雜訊一樣的曲線表示h21和h12。這表明通道隔離度很高。在圖3中，其中一條串流引入了延遲。這在下面的OFDM符號中造成了大幅度的衰減。
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| 圖2 通道行為模組化 |
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| 圖3 衰減與矩陣條件 |
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通過使用天線或通道模擬器將可實現更定量的衡量，並有可能導出一個精確的通道模型。這能夠幫助人們在設計發射器的時候以經過校準的接收器為基準，判斷各種通道條件下訊號傳輸是否是可靠的。同樣的，採用不同的通道模型也可以測試接收器。採用任意波形發生器或者即時通道模擬器將一定的通道失真載入到標準波形上，就可以產生這些訊號。
由於MIMO系統的性能取決於通道的行為，因此必須使用多種不同的通道模型對發射器和接收器進行測試--既包含預定義的標準，也包含用戶定義的模型--確保設計能夠在各種環境下保持穩定的性能。圖4給出了一種典型的配置。根據待測設備是發射器還是接收器，其中向量訊號分析儀(VSA)和向量訊號發生器(VSG)可以被發射器或接收器所取代。
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與EVM一樣，矩陣條件數也是表徵發射器性能的一個很好的指標。它實際上衡量的是每個空間串流的正交情況。例如，如果採用電纜將VSA與發射器相連，則矩陣條件應該接近於1(即0dB)。如果不是這樣，發射器可能產生了一些流間干擾，原因可能來自於數位訊號處理器(DSP)內的數學誤差或者射頻部分的問題。由於矩陣條件是最大奇異值的比，因此通過選擇奇異值測量就可以檢查每條串流的奇異值。常用的測量方法是監測矩陣條件數直到出現一個不正常的大值，然後轉而監測真正的奇異值，得到矩陣的解。圖3將通道回應和矩陣條件做了對比。 |
精準拿捏串流性能有利4G問世
再看串流性能，設計人員也可以通過多種方法，來分析各條發射串流的性能。舉例來說，測量一段時間內的EVM、幅值或者頻率誤差能夠幫助開發人員找出與每路射頻的時間行為相關的問題。例如，某個射頻發射器現場可編程閘陣列(FPGA)中的一個不連續點可能導致EVM出現週期性的誤差。
在基於正交頻分多工的並行符號傳輸方式下，時間增量通常是指OFDM符號週期(圖4的橫軸)，每個時間增量包含成千上萬個符號。例如，IEEE 802.16e在每個OFDM符號週期內能夠傳輸128～2,048個符號。圖4的縱軸標識為子通道(Sub-channel)。這些子通道並非真正的物理通道，而是每個OFDM符號週期內傳輸的成組的並行符號。通過這類符號圖，就可以定義IEEE 802.16e訊號是如何構成，及它的時間行為。
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| 圖4 WiMAX將多項新興關鍵技術合而為一 |
至於調變品質頻率，測量EVM或振幅與頻率的關係，能夠幫助開發者找出頻帶之內的問題，例如可能由射頻內部的時序產生的低水平寄生干擾等。
而MIMO的一個重要優勢，也是其最初的用途之一，就是能夠通過一種稱為波束形成的過程將射頻能量定向到特定的用戶。很多商用系統的標準都支援MIMO波束形成或者閉迴路MIMO。
雖然波束形成的優勢在於能夠為用戶提供更大的容量，但是它也增加了設備的複雜性，因為須要採用陣列式的發射器、接收器和天線來控制發射訊號的方向和形狀，這本身取決於通道環境。
人們採用諸如通道聲探(Channel Sounding)之類的技術對通道模組化，然後構建出正確的串流相位和振幅。測試設備須要擴展到8×8的架構，使其能夠控制每個訊號源的相位和振幅，根據計算出的通道資訊構建所需的射頻發射模式。
在從類比傳輸技術轉向數位傳輸技術的過程中，MIMO是商用射頻技術最重要的發展趨勢之一。所有下一代通訊標準都是基於MIMO出發的，這為商用通訊設備的設計者提出了很多新的挑戰。隨著用戶需要越來越多的服務和越來越可靠的連結，MIMO系統將會圍繞諸如波束形成之類的技術而向前發展，因此，增加一台設備中的發射器、接收器和天線數量也勢在必行。
(本文作者任職於吉時利)