《无线区域网路新天王》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线区域网路新天王（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、无线局域网络新天王一MIMO技术由于多重输入多重输出(multiple-input, multiple-output； MIM0)的技术提 供了一个扩展无线局域网络(WLAN)范围的极佳方式，因而最近成为了焦点o MIM0技 术始于 1985 年，但直到现在才应用于芯片层级的装置，以大幅改善传输范围与容量。由于MIM0并不是单一概念，而是由多种无线射频技术所组成，因此我们必须充份了 解MIM0的运作和效能。当应用于WLAN时，有些MIM0技术能与现时的WLAN标准(如 802.11a、802.11b与802.11g)兼容，因而能扩充其传输范围；相反，有些MIM0 技术则只能用于与一般WLAN标
2、准不兼容的MIM0装置。r MIMO一词泛指任何在传送器部分具有多重输入，与在接收器部分具多重输出的 系统【参考数据：Love04】，(图1)阐述了其基本概念。根据MIMO改良者Jack Salz 在1965年观察发现【参考资料：Salz85】，虽然MIMO系统可能包含有线连结的装置, 但整个系统通常是无线系统，例如多重天线系统、 3G 行动电话系统(无线系统)中所 使用的Code Division Multiple Access(CDMA)系统，甚至是使用多条电话线 产生串音(crosstalk)的DSL系统(有线系统)。本文将先介绍MIMO的历史背景和运作，并讨论MIMO能将WLAN传输范
3、围扩充的程 度。MIMO 20 年的开发进程MIMO在无线通讯的起源可追溯至1984年，当时任职于Bell Laboratories的 Jack Winters有了突破性的开发进展【参考数据：Winters84】。这位MIMO的先驱 道出了利用传送器与接收器的多重天线，把多个使用者所传来的数据以相同的频率时 间信道传输。在1985年，Bell Laboratories的Jack Salz发表了一篇关于MIMO在有线通 讯应用的研究报告【参考数据：Salz85】，之后便有多位学者与相关研究人员投入MIMO 的领域并发表研究报告【参考资料：如Verdu86、Honig90、Honig92、 Due
4、l-Hallen92、Paulraj92、Yang94 与 Li96】。值得注意的是，Jack Winters 将 Salz 于 1985 的报告加以扩充，应用至无线通讯领域，证明使用者可以透过传输器 与接收器的多重天线来同时无线传输多个数据流【参考数据： Winters87】。为了满足强烈的市场需求，现今许多WLAN、Wi-Max与行动通讯公司均已提供(或 计划提供)以MIMO技术为基础的解决方案。MIMO具有多项功能，如传输波束成形 (Transmit Beamforming)/ 最高比结合(Maximal Ratio Combining； MRC)、 空间多任务(spatial mult
5、iplexing) 与时空编码(space-time coding)。无线市场的领导厂商如 Intel、 Cisco、 Qualcomm、 Samsung、 Mitsubishi、 Panasonic、 Philips、 Toshiba、 Sony 与 Atheros 共同合作，开发出多项可相互 运作且可扩充的WLAN MIMO技术。这些领导厂商将共同努力为消费者带来广为接受的 标准解决方案。MIMO 技术优势为何MIMO如此具有吸引力？透过增加传输器与接收器的天线数量，MIMO可以提升 数据传输率，并提供更大的覆盖率与传输范围。可是，MIMO并不是那种一体适用 (one-size-fits-
6、all)的技术。MIMO能增加数据传输率，但也要视乎设计工程师 会否应用。如何选择合适的MIMO工具，则要视操作环境与所采用的系统种类而定。在过去20年来，许多MIMO的技术与应用均相当成功，其中包含：传输波束成形/最高比结合(Transmit beamforming/maximal ratio combining)空间多任务(Spatial multiplexing)时空编码(Space-time coding)传输效能加倍传输波束成形(图2)是一种传输器的技术，在传输器与接收器之间，以功率最强的 路径来传输数据(vanVeen8 8, Spencer04)。透过精密的运算法，传输器可以驱动
7、 多个天线，因而能把大部分的射频功率集中传输至接收器。因此，整个装置能达到最高 的传输效能。YVFigure 2Radio-Rjdlo在执行传输波束成形时，需要使用两个或更多的功率放大器与天线，以相位移运算法(phase-shifting algorithm)控制，集中把射频功率传输至接收器。透过这种 方式，有效传输功率(effective transmit power)的提升幅度是传输天线数的 平方，例如若有两个传输射频，其有效传输效率将变成四倍。要达到上述的效率成长，主要有两个因素：功率提升与数组提升。功率提升在于多重 的传输天线在空气中传输数据，由于天线数量增加，整体的功率也随之提升。而
8、数组提 升是因为所传输的功率集中于同一个方向，因此能减少浪费在其它方向的功率。如果使 用两个天线来进行传输，传输至接收器的整体功率就增加1 倍。因此，当结合这两项因 素时，有效传输功率便能净增4 倍。传输波束的方向集中过程可以依据传输信道的频率特性来调整。如(图3)所示，如 果传输波束成形系统从接收装置收到至少一个封包，系统便能掌握信道反应(不论是在 传送或接收端，也可以应用同样的通道反应)，以调整所传送讯号的相位，以便接收器 天线收到讯号之后，能依据各组频率将数据做有意义的整合。这种方法可以降低多重路 径的影响，甚至在传输数据到非MIMO装置时也有同样效果。MIMO传输器能大幅扩大传输范围，
9、让更远的接收器也能收到高频宽的讯号。因此，对面积大的居家或办公室环境，MIMO能提供更佳的覆盖率。MIMO的传输器让使用者能 在讯号范围极限之内仍可接收讯号，令WLAN的设定变得更加容易。接收效能加倍最高比结合(MRC)是一项接收器技术，能将来自不同天线的讯号一致地整合【参考 数据：vanVeen88】(见图4)MRC能改善接收讯号的讯号噪声比(signal-to-noise ratio； SNR)，而改善的程度则与所使用天线的数量成正比。多重接收器不仅增加的 接受功率，同时也透过个别整合每个频率组件的接受讯号，降低多重信道的影响。这过 程称为副载波最高比结合(subcarrier-based
10、 maximal ratio combining)， 可大幅提升整体增益，特别是在多重路径的环境中。如先前(图3)所示，在多重路径 环境中，讯号经过多个物体产生反射，造成两个天线会接收到不同特征的讯号，或是其 中一个天线对某些频率的讯号接收不清楚。MRC将天线所接收的各频率讯号整合起来，进而增加讯号的功率。若讯号的强度相若， 接受器便会选择性地结合其讯号强度，故此即使只使用两个天线，还能把频率功率增加 一倍。Receive Combining 不能跟天线分集(antenna diversity)混为一谈。天线 分集不会依据不同的频率中不同讯号的强度或从使用两个天线增强了的讯号强度而选 择讯号组
11、件。采用天线分集的接收器只会选择提供最佳效能的天线，而第二个天线则置 之不用。虽然比起没有任何天线分集而言，此技术的确有其优点，但依然无法降低多重 信道的干扰或提升讯号质量。值得注意的是，即使传输器没有采用MIMO技术，依然能享有接收器中MCR功能所带 来的好处。在现有的装置中，如热点的存取点、家庭网络网关、桌上型与笔记型计算机 等，其传输器都与这种MIMO技术完全兼容。这技术也可以应用在2.4 and 5GHz频 谱上，改善所有802.11a与802.11g标准装置的效能。与其它技术不同的是，即使 只是在无线连结的一端采用 receive combining 技术，亦能提升整体效能。增加传输
12、和接收的效能当结合传输波束成形与 MRC 和使用多重传输与接收的天线时，便能成为一个 MIMO 系统（见图5）。传输波束成形/MRC可大幅改善系统效能。更重要的是，这样的结合 能与所有终端装置完全整合，确保使用这些技术的系统（如无线局域网络）的相互运作 性与可靠性。由于使用在802.11的MIMO应用还没有标准化，目前能提供可靠与稳定 效能的pre-standard解决方案,只有那些使用传输波束成形/ MRC技术的解决方案， 如Atheros与其OEM客户目前所提供的VLocity MIMO解决方案。目前业界已开发出一种独立技术，名为空间多任务（spatial multiplexing）（见
13、图 6），在传输器与接收器之间传输两个或更多的独立数据流，进而增加数据传输率。 这项技术自1987年开发【参考数据：Winters8 7, Paulraj92, Foschini96, Raleigh96, Foschini98】。由于此技术使用并流的多重独立数据流，而传统系统的 设计只能接受单一数据流，因此传统系统出现了无法将讯号译码的问题。YRadioiyRadioRadi&l-要使用空间多任务，必须有已知的引导（preamble）或训练序列（training sequence），让接收器可以学习如何分隔重迭的数据流。此外，大多数系统会将接受 器的响应整合至传输器，做为选择适当操作模式的参
14、考。这就是为何使用空间多任务的 WLAN pre-standard解决方案可能无法与预计于2006年初推出的8 02.11n标准兼 容。我们在下一段将进一步说明。此外，根据研究指出【MobPipeO4】，当这些装置要 以与标准兼容的非MIMO模式进行沟通时，将无法相互运作。即使没有这些问题，现行 采用802.11a/b/11g标准的WLAN系统，其设计是针对非空间多任务标准，因此使用 空间多任务并无法提升效能。时空编码（space-time coding）则是在传输器不知情的情况下，运用传输与接收 器之间不同路径的技术【参考数据：Seshadri93, Naguib98】。若传输器与接收器 的
15、设计加以配合，时空编码是个较容易执行的机制。此外，时空编码也是3G行动电话 系统所使用的技术。但由于此技术不需要了解讯号路径，因此其数据传输率比传输波束 成形/ MRC 以及空间分工还低。时空编码通常需要多个传输天线，而接收天线则是一个 或多个皆可。在过去20年来，这些MIMO的衍生技术，不论是个别或整合运用，已大幅改善无线 及有线系统的效能。例如行动电话业者便积极推动时空编码，而雷达解决方案与固定无线系统则广泛使用传输波束成形。802.11n将为未来WLAN定义MIMO随着 WLAN 在全球广泛运用，消费者与企业越来越依赖此网络的运作，进行重要的商 业活动或是处理敏感的个人事务。因此，任何新
16、型的WLAN技术，都必须遵守经业界认 同且支持的标准。透过这些标准，消费者可以避免现时的WLAN设备与新一代产品无法 相互操作。因此，所有WLAN业者正协调以制订出在WLAN应用的MIMO标准。此套标准名为 802.11n，预定在2006年才会出炉，并在2007年才会确认。跟其它类似的标准一样， 如果在最后确定标准之前，便提供pre-standard的产品，可能会与最后建议的标准 不兼容，导致顾客在财务或产品相互操作上有短期或长期的严重损失。在合作制订802.11n标准草案的两个组织中，TGn Sync联盟不仅成员数目最多（包 含Atheros），而且厂商的种类也较广。其成员均是无线市场的主要厂商，包含消费电 子产品个人计算机、行动通讯、半导体、商业与研究界等。由于成员组成多元
