需要高頻寬的應用愈來愈多，例如串流視訊，因此對無線通訊系統的傳輸率或覆蓋率需求也不斷地升高。改變可用頻譜的使用效率可透過幾種方法來達成。第三代合作夥伴計畫(3GPP)的Release 8版規格訂定了長期演進計畫(Long Term Evolution, LTE)標準，朝向第四代行動通訊(4G)的系統發展，當中包含了新的運作要求，也就是基地台和手機會透過兩個或更多個發射/接收鏈進行通訊，並充分利用無線傳輸路徑間的差異性來運作。其目標是要增加基地台整體的通訊容量，以及提高單一用戶可從系統得到的資料傳輸率。
LTE要求基地台和手機的設計與測試須做一些根本的改變，原因包括資料傳輸率提高、允許的訊號頻寬變寬，以及手機的整合度愈來愈高且外型愈來愈輕薄短小。舉例來說，須要應付六種不同的通道頻寬，範圍從1.4M～20MHz，以及分頻雙工(FDD)和分時雙工(TDD)兩種模式；視不同代網路系統混合並存的情況而定，手機甚至須要支援基本的全球行動通訊系統(GSM)或cdma2000等傳統的系統，並且要能在不同代的系統間順暢地切換並存；符合可消除基頻和射頻積體電路(RFIC)間潛在通訊瓶頸之DigRF v4標準的手機元件必須具備跨域的量測能力，可由數位訊號輸入且由RF訊號輸出；測試時需要有一組數位測試訊號源，其必須要能模擬控制RFIC功能之數位介面中的資料流量和封縮(Encapsulated)的通訊協定堆疊，而且手機的RF和基頻IC間傳送的資訊必須遵循嚴格的時序限制。
除了這些一般性的問題外，也因為須要支援多重天線技術而衍生出一些特殊的挑戰。LTE定義以下這五種技術，以提高鏈路的效能：
．行動電話端的接收分集(Diversity)
．基地台(evolved Node B, eNB)端的發射分集(運用SFBC空頻區塊碼技術)
．eNB端的多重輸入多重輸出(MIMO)空間多工(給一或兩位使用者使用)
．eNB端的CDD循環延遲分集(搭配空間多工技術使用)
．波束定向(Beamsteering)(依使用者不同而異)
前兩種是相當傳統的分集方法，第三和第四種方法則是運用空頻編碼機制，將資料分散給多支天線發射。循環延遲分集會故意讓天線間出現一些延遲，以人為的方式創造出多徑的環境。這些方法各有不同的應用，視實體訊號或實體通道的類型而定。
傳統相控陣列(Phased Array)的波束定向方法會讓送給每一支發射天線的所有訊號的相位和振幅有所偏移，用意是要讓訊號的能量集中到一個特定的方向。讓相位和振幅偏移的方法同樣可以應用在接收天線上，讓接收器對來自於特定方向的訊號接收更加敏銳。
相較於單一通道的無線通訊系統，MIMO系統會充分利用發射器和接收器輸入端間的路徑差異性，讓所占用的RF頻寬發揮更大的效益。如果傳統單一通道的無線通訊系統在發射器和接收器間建立的是單一條的資料「管線」，MIMO無線通訊系統的目標就是要建立許多條這樣的管線。其做法是先針對發射器到接收器間的路徑產生一個數學模型，藉以解出最後所需的方程式。方程式的數目必須與未知數一樣多，才能即時地將方程式解出來，解出的速度要跟不斷變動的通道條件一樣快才行。
多樣輸入/輸出 特性互有長短
在規格中，「輸入」和「輸出」兩個名詞適用於發射器和接收器間的傳輸媒介(包括兩端的RF元件)，稱為「通道」。因此，如果基地台有兩組發射器，就可以提供兩個通道輸入口，也就是「MI」(多重輸入)的部分。若手機上有兩個接收鏈，則會有兩個通道輸出口，亦即「MO」(多重輸出)的部分，但唯有發射和接收的資料相互獨立，而非複製相同的資料，才會如此，詳情說明如下。
單一輸入單一輸出(SISO)是大部分系統的標準發射模式(圖1)，任何較複雜的系統想要達到的目標都是：相較於SISO，可以提升多少的傳輸容量或資料傳輸率。
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| 圖1 單一輸入單一輸出 |
在如圖2的單一輸入多重輸出(SIMO)或接收分集的系統中，只有一組發射器，因此會將單一資料流餵給兩個接收鏈。當訊噪比(SNR)因多徑衰減變得很差時，有助於提高接收資料的完整性。雖然資料傳輸容量不會增加，但因錯誤率降低，連帶地需要重新傳送的機率也會降低，所以實際上對傳輸容量的提高會有一些幫助。
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| 圖2 單一輸入多重輸出 |
多重輸入單一輸出(MISO)是一種發射分集的方法(圖3)。在LTE中，運用空頻區塊碼(Space Frequency Block Coding)技術來提升訊號在衰減環境下的強韌度。發射器會送出相同的用戶資料，但卻是使用不同部分的RF頻率空間。
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| 圖3 多重輸入單一輸出 |
真正的多重輸入多重輸出系統(圖4)包含兩組發射器和兩組接收器，且傳送的資料內容是完全獨立的，又稱為空間多工系統。每一組接收器都會看到通道的輸出訊號，它會是兩組發射器的輸出排列組合。接收器會利用通道估算方法，透過矩陣運算將兩股資料流分開，然後將資料解調出來。在理想的條件下，可以將資料傳輸容量加倍，但要付出的代價是訊噪比的要求比SISO高。實務上，從未能達到將資料傳輸容量加倍的目標，但增加資料傳輸容量肯定可以做到。
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| 圖4 真正的多重輸入多重輸出系統 |
Z1到Z4左右MIMO結果
假設在單一頻率下的某個時間點上，且將通道視為裡面採用的是固定元件的黑盒子，如果在輸入端加入兩個完全不同的訊號，這兩個訊號將以所設定的方式混在一起，視Z1到Z4的值而定。如果將完全不同的訓練訊號送給不同的輸入端，然後量測輸出訊號，就能夠知道訊號是如何耦合在一起，因此也可以得知如何加以分開(圖5)。
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| 圖5 MIMO通道 |
在LTE中，每組發射器的輸出都會在固定的頻率點提供參考訊號(或導引訊號)，以便接收器估算出通道的係數。由於資料和參考訊號的耦合方式都一樣，因此從參考訊號得知的結果也適用於實際的資料。雜訊和干擾會限制所能使用的調變方式以及將輸出訊號分開的能力。最糟的情況是，如果Z1到Z4都相同，則兩個輸出訊號會完全相同，MIMO就沒有作用。最好的情況是，如果輸出訊號的大小相同，但相位相反，則理論上傳輸容量會加倍。
代碼(Codeword)、流層(Layer)、預編碼(Precoding)和波束成形(Beamforming)等是LTE所使用的專門術語，用來說明訊號及其處理方式，圖6列出了使用到這些術語的處理步驟，這些術語的使用方式如下：
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| 圖6 代碼、流層、預編碼及波束成形等的處理步驟 |
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代碼代表的是尚未經過傳送前的格式化處理的用戶資料，可以使用一或二個代碼--CW0和CW1，視當時的通道環境和使用情況而定。在最常見的單一用戶的MIMO(SU-MIMO)運作情況中，會將兩個代碼送給單一支手機，亦即終端設備(UE)，但在較不常見的下行鏈路的多用戶MIMO(MU-MIMO)中，每個代碼則只會送給一個UE。 |
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流層這個術語是資料流的同義字。就MIMO而言，至少必須使用兩層，最多可以到四層。流層的數量一定是小於或等於天線的數量。 |
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預編碼會先修改流層中的訊號，再傳送出去，目的可以是為了分集、波束定向或空間多工。MIMO通道的環境可能對某一流層(資料流)較有利，而對另一層較不利。如果基地台能獲知有關通道的資訊，例如靠UE傳送回的資訊，它就能加入複雜的交叉耦合機制，以對抗通道中的效能不相稱問題。在一個2×2的設置中，LTE的預編碼會選擇採取簡單的三選一方式來進行，如果通道變化的速度不是太快，可以有效地提高效能。 |
一般簡稱為波束成形，它會修改發射訊號，讓通道輸出的訊號具有最佳的CINR。 規格中使用d、x和y等符號來分別代表分層對應(Layer Mapping)之前和之後，以及預編碼後的訊號。
圖7為下行鏈路中單一用戶如何使用兩個代碼的情形。代碼也可以分配給不同用戶使用，形成多用戶的MIMO。
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| 圖7 下行鏈路中單一用戶使用兩個代碼的情形 |
視eNB可以取得的通道資訊而定，每一層的調變格式和預編碼方式可能會有所不同，以便讓彼此的效能變均等。
SU-MINO/MU-MIMO影響 上行鏈路傳輸
上行鏈路的SU-MIMO也在LTE訂定的規格範圍內，但基於種種原因，包括UE的成本考量和電池的限制，並未列為優先發展的項目。雖然UE通常只有單一組發射器，但它仍然能夠支援新類型的MIMO。不同於接收功能，MIMO並不要求發射器一定要在同一個實體裝置中或位在相同的地方，因此可以將上行鏈路的MIMO實作在分屬於兩個不同UE的兩組發射器上(圖8)。如此一來，儘管無法提高個別用戶的資料傳輸率，但卻可能可以增加上行鏈路的傳輸容量。
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| 圖8 上行鏈路中的單一用戶和多用戶MIMO |
(本文作者任職於安捷倫)