降低多重收發天線相互干擾　MIMO提升行動通訊網速

2016-12-12

陳飛宇

眾所周知，行動通訊網路的服務品質需要適當的網路速度的支援。根據Shannon定理，網路速度抑或通道容量是與可用頻寬以及訊號雜訊比成正相關的。在實際應用中，目前常用的行動通訊頻段內的可用頻寬有其無法逾越的上限。長程演進技術升級版(LTE-A)使用載波聚合(CA)技術以突破這個上限，但不在本文所討論的範圍內，故暫且不做探討。

不僅如此，減少通道雜訊及干擾亦有其局限性，而增加訊號強度又會受到國家標準的制約，因此改善訊號雜訊比(SNR)並不能大幅度地提升通道容量的理論值，換言之，改善訊號雜訊比不足以有效地提升實際的網路速度。鑑於上述的種種限制，工程師們著手從另外的角度進行思考。例如，在發射端將一條資訊拆解成不同的兩組，並同時傳送這兩組資訊，如果在接收端利用一種技術可以將這兩組不同的資訊無誤地接收並進行整合，從而恢復原本的資訊，那麼，傳送原本的資訊所需的時間將會減少一半。換言之，在理想的條件下，所應用的技術可以將資訊傳送速率提高一倍。

先拆解再組合　MIMO提升網路傳輸

進一步地，如果在發射端將一條資訊拆解成不同的若干組，並同時傳送這若干組資訊，在接收端將這若干組不同的資訊無誤地接收、整合並恢復原本的資訊，那麼，在理想的條件下，就能夠將資訊傳送速率提高若干倍。這種將資訊先拆解再整合的通訊技術稱為多重輸入多重輸出(MIMO)。從資訊本身的角度來看，MIMO有賴於多串流編碼技術。而就資訊的無線發射和接收的角度，MIMO則須藉助多天線發射接收技術，亦即陣列天線技術。若從行動通訊系統的角度，MIMO技術有賴於網路的整體設計與最佳化。基於重點的考量，本文將著重於空中介面的系統角度。

行動通訊技術的空中介面主要包括基地台的無線發射接收部分、用戶設備的無線發射接收部分，以及基地台與用戶設備之間的一發一收所構成的通訊鏈路。無線發射接收部分是各由發射模組與發射天線，以及接收模組與接收天線所組成。雖然基地台的位置是固定的，用戶設備的位置通常都是變動的。鑑於用戶設備的位置的變動性，基地台與用戶設備間的通訊鏈路的特性也是隨時間而變化。此外，由於基地台與用戶設備之間相對位置的變動性(有時候甚至是瞬間變化)，使得無法快速準確地判斷用戶設備暫時所處的環境對於通訊鏈路的影響。這就是行動通訊技術中不可避免的訊號衰落現象。

縱觀行動通訊技術的發展，其著重點主要是在如何有效地克服訊號的衰落現象，甚至是發現更好的方法將這種衰落現象加以利用，從而達到提升網路的服務品質與網路速度的目的。其中，MIMO技術正是一種利用訊號衰落現象提升行動通訊網路速度的有效方法。為了便於說明與理解，這裡以最基本的MIMO技術(亦即2×2 MIMO)為例，且將討論的範圍限定在特定的通訊鏈路上，即以基地台為發射端，以用戶設備為接收端的通訊鏈路，也就是所謂的下行鏈路。

剖析運作方式　深入2×2 MIMO

在2×2 MIMO技術中，發射端具備兩個獨立的發射模組與發射天線(分別以Ta1和Ta2表示)，接收端則具備兩個獨立的接收模組與接收天線(分別以Ra1和Ra2表示)。假設需要傳送的資訊以I表示，並且被拆解成兩組不同的串流(分別以I1和I2表示)。I1經由Ta1發射，I2則經由Ta2發射。經過具有衰落現象的鏈路之後，由Ra1和Ra2加以接收。

在實際應用中，接收端的兩個獨立的接收模組將接收到一共四個訊號抑或四組不同的串流，分別是經由Ta1發射，由Ra1接收的I1串流，以I1(Ta1, Ra1)表示；經由Ta2發射，由Ra2接收的I2串流，以I2(Ta2, Ra2)表示；經由Ta1發射，由Ra2接收的I1串流，以I1(Ta1, Ra2)表示；經由Ta2發射，由Ra1接收的I2串流，以I2(Ta2, Ra1)表示。

承如本文開始部分的說明，理想的2×2 MIMO技術是將資訊先拆解成不同的兩組串流之後再由發射端發射，而在接收端將這兩組不同的串流無誤地接收並恢復原本的資訊，從而將資訊傳送速率提高一倍。實際狀況與理想條件之間存在一定的差距，也就說在理想條件下接收端只接收到兩組串流，而在實際應用中，接收端一共接收到四組串流。

具體來說，串流I1(Ta1, Ra1)與串流I2(Ta2, Ra2)是在理想條件下接收端所接收到的兩組串流，而串流I1(Ta1, Ra2)以及串流I2(Ta2, Ra1)則是在實際應用中才會出現的干擾。這些干擾會直接影響網路的服務品質，從而降低網路速度。

那麼，如何才能最大限度地抑制上述的干擾？從干擾的形成來看，它們是由無線通訊鏈路中固有的相互交叉影響效應所產生。大量的理論和實測都證明，這種效應是可以藉由適當地改變發射端與接收端的相互交叉影響來加以減弱。

承上所述，發射端與接收端各自有兩個獨立的收發模組與收發天線組成。通常收發模組之間幾乎沒有相互影響，兩個發射模組與兩個接收模組各自之間的相互影響，也可以藉由適當的電路設計得以降至最低。發射天線與接收天線構成無線通訊鏈路本身。剩下來的就只有兩個發射天線(Ta1和Ta2)以及兩個接收天線(Ra1和Ra2)彼此之間的相互影響。

如何最大限度地降低兩個天線之間的相互影響，則是一個十分經典的問題，更有大量文獻可以參考。不過，網路營運商更關心的是三維(3D)空間中的兩個天線之間的相互影響。具體來說，就是在固定一個參考點的條件下，是否有可能設計兩個天線(特別是在用戶設備端)，使得在三維空間中的大部分位置上，這兩個天線間的相互影響都是最低的(圖1)。