本文描述了多輸入/多輸出-正交頻分復(fù)用(MIMO-OFDM)技術(shù)如何顯著提升WLAN性能,使其不僅能夠更加經(jīng)濟(jì)有效地為現(xiàn)有應(yīng)用服務(wù),而且能夠?qū)崿F(xiàn)要求更高的新型應(yīng)用。此外,本文還解釋了制造商和終端用戶如何能夠通過部署今天的MIMO-OFDM產(chǎn)品受益,又不錯(cuò)過未來IEEE 標(biāo)準(zhǔn)可以帶來的好處。

任何一種無線連接的質(zhì)量和有用性都可以通過三個(gè)基本參數(shù)進(jìn)行完全描述,分別是:速度、范圍以及可靠性。MIMO-OFDM出現(xiàn)之前,上述3個(gè)參數(shù)依據(jù)嚴(yán)格的規(guī)則相互制約:速度的增加只有靠犧牲范圍和可靠性才可實(shí)現(xiàn)；范圍的擴(kuò)展以犧牲速度和可靠性為代價(jià)；而提高可靠性必須降低速度和傳輸范圍。MIMO-OFDM的出現(xiàn)顛覆了這種制約,因?yàn)樗芡瑫r(shí)提升上述3個(gè)參數(shù)的性能。MIMO最終將使包括移動(dòng)電話在內(nèi)的所有主要無線產(chǎn)業(yè)受益,但眼下,WLAN引領(lǐng)了利用MIMO創(chuàng)新的潮流。

什么是MIMO？

多徑傳播是所有無線通信環(huán)境的一大特征。

通常情況下,從A點(diǎn)的發(fā)射器到B點(diǎn)的接收器之間有一條主要(最直接)通道。但不可避免的是,一些發(fā)射信號(hào)會(huì)通過其它路徑(從環(huán)境中的物體、大地以及大氣層反射等)到達(dá)接收器。

圖1:多徑傳播如何影響無線信號(hào)。

經(jīng)非直接通道傳輸?shù)男盘?hào)到達(dá)接收器的時(shí)間會(huì)略晚于正常信號(hào),而且通常會(huì)衰減。處理衰減的多徑信號(hào)的一般做法是簡單的忽略。但是,當(dāng)多徑信號(hào)太強(qiáng)以至于無法忽略時(shí),會(huì)導(dǎo)致基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)WLAN設(shè)備的性能下降。

無線信號(hào)可借助正弦波進(jìn)行描述,如圖1.a所示,縱軸表示振幅,橫軸表示時(shí)間。當(dāng)多徑信號(hào)比主信號(hào)稍晚到達(dá)接收器時(shí),其峰值和谷值與主信號(hào)的峰谷值不會(huì)完全同相,接收器接收到的混合信號(hào)多少會(huì)出現(xiàn)失真,見圖1.b。如果多徑信號(hào)的時(shí)延導(dǎo)致其波峰與主信號(hào)的波谷在同一刻出現(xiàn),那么多徑信號(hào)將部分或完全抵消主信號(hào),見圖1.c。傳統(tǒng)無線系統(tǒng)要么不對(duì)多徑干擾采取任何防范措施,僅依靠主信號(hào)自身來抑制多徑信號(hào)；要么利用多徑緩解技術(shù)。一種緩解技術(shù)是使用多個(gè)天線以便能夠在任一時(shí)刻及時(shí)捕捉最強(qiáng)信號(hào)；另一種技術(shù)則給接收信號(hào)增加了不同的時(shí)延,迫使各波峰和波谷同相。

無論何種緩解技術(shù),它們都假定多徑信號(hào)是無用甚至有害的,并竭盡全力制止這種危害。

與之相反,MIMO卻借助多徑傳播的特點(diǎn)提高吞吐量、傳輸距離/覆蓋范圍以及可靠性。MIMO非但沒有想方設(shè)法消除多徑信號(hào),而是讓多徑信號(hào)攜帶更多的信息。MIMO技術(shù)通過在相同無線信道內(nèi)同時(shí)發(fā)射并接收多個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)了上述目的。多波形技術(shù)的使用構(gòu)成了一種新的無線通信模式——利用多維信號(hào)進(jìn)行通信,該模式是目前為止唯一已知的能同時(shí)提高三個(gè)基本連接性能參數(shù)(范圍、速度和可靠性)的方法。

因?yàn)镸IMO通過通信信道傳輸多信號(hào)(而不是傳統(tǒng)系統(tǒng)中的單信號(hào)),所以MIMO擁有成倍的信息載荷能力(這是速度的另一種表達(dá)方式)。無線能力的一個(gè)通用測(cè)度標(biāo)準(zhǔn)是頻譜效率,即單位時(shí)間內(nèi)單位帶寬所傳送的信息量,通常以每赫茲每秒位或b/s/Hz表示。

使用傳統(tǒng)無線技術(shù),工程師想方設(shè)法才能漸進(jìn)地提升頻譜效率(例如,每次增加一個(gè)b/s/Hz)。通過在同一個(gè)頻道內(nèi)傳輸包含不同信息流的多個(gè)信號(hào),MIMO提供了一種能夠成倍或三倍提升頻譜效率的方法。

MIMO還能被看作是一種多維無線通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)無線系統(tǒng)試圖在一維管道內(nèi)壓縮盡可能多的信息。為此,工程師必須使其設(shè)計(jì)適應(yīng)一維信道的噪聲及其它限制。MIMO賦予了工程師在多維空間工作的條件,為消弭一維信道的限制提供了機(jī)會(huì)。

更高的頻譜效率轉(zhuǎn)換成為更高的數(shù)據(jù)速率、更寬的覆蓋范圍、更多的用戶、更強(qiáng)的可靠性或上述指標(biāo)的任意組合。通過增加頻譜效率,MIMO為多種新應(yīng)用敞開了大門,同時(shí)還節(jié)省了現(xiàn)有應(yīng)用的實(shí)施成本。

MIMO與智能天線的區(qū)別

乍看起來,MIMO與智能天線系統(tǒng)非常相似:兩個(gè)系統(tǒng)都采用多個(gè)天線,天線的布置在可實(shí)施前提下盡可能遠(yuǎn)離。但只要深入研究,你就會(huì)發(fā)現(xiàn)MIMO和智能天線系統(tǒng)在本質(zhì)上存在差別。

智能天線增強(qiáng)了傳統(tǒng)的一維無線系統(tǒng)。大多數(shù)通用智能天線系統(tǒng)采用波束成形技術(shù)(又稱波束切換)將信號(hào)能量聚集于主路徑,而后利用接收合成技術(shù)(又叫分集)捕捉在任一給定時(shí)間內(nèi)的最強(qiáng)信號(hào)。注意:波束成形和接收合成僅僅是多徑緩解技術(shù),并不能將無線信道的數(shù)據(jù)吞吐量加倍(見圖2)。

圖2:比較智能天線(a,b和c)與MIMO方案(d)

但這并不意味著波束成形和接收合成技術(shù)毫無用處。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用中(例如,戶外無線回傳應(yīng)用),兩者均被證明能夠成倍提高系統(tǒng)性能。但是,波束成形和接收合成技術(shù)只能稱的上是對(duì)傳統(tǒng)無線系統(tǒng)性能的提升極有價(jià)值,而MIMO是一次可資標(biāo)榜的轉(zhuǎn)變,它戲劇性地改變了人們對(duì)多徑傳播的接收度和反應(yīng)。接收合成和波束成形只能一次將頻譜效率增加一或兩個(gè)b/s/Hz,而MIMO則能夠使b/s/Hz成倍增加。

為什么采用MIMO-OFDM？

MIMO能與任何調(diào)制或接入技術(shù)共同使用。今天,大多數(shù)數(shù)字無線系統(tǒng)選用時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)或正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)。

時(shí)分系統(tǒng)在窄頻信道上傳輸數(shù)據(jù),采用時(shí)槽(time slot)來分隔不同用戶或用途的數(shù)據(jù)。碼分系統(tǒng)在寬頻(擴(kuò)頻)信道上傳輸數(shù)據(jù),采用代碼來分隔不同用戶和用途的數(shù)據(jù)。OFDM也是一個(gè)寬頻系統(tǒng),但與在整個(gè)信道連續(xù)擴(kuò)展信號(hào)的CDMA不同,OFDM采用多個(gè)分離的低數(shù)據(jù)速率子信道。

MIMO可以與任何調(diào)制和接入技術(shù)一同使用。研究顯示,執(zhí)行過程非常簡單,特別是對(duì)用于高數(shù)據(jù)速率的MIMO-OFDM而言更是如此。值得一提的是,MIMO-OFDM信號(hào)能用相對(duì)直接的矩陣代數(shù)進(jìn)行處理。

MIMO-OFDM如何使基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品受益

集成準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MIMO增強(qiáng)型Wi-Fi的產(chǎn)品從外觀上看與帶有智能天線的產(chǎn)品極為相似,這一事實(shí)也暗示了另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MIMO產(chǎn)品裝配有天線和其它必須電路,當(dāng)基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)模式進(jìn)行操作時(shí),可以提供智能天線功能。

事實(shí)上,即便僅在連接的一端采用這種智能天線功能,也能提升系統(tǒng)性能。因此,準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MIMO產(chǎn)品不僅能夠與現(xiàn)有Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)完全兼容,還能夠增強(qiáng)這些標(biāo)準(zhǔn)的表現(xiàn)性能。

這從另一個(gè)方面也證明,準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MIMO的增強(qiáng)效果可以被用來補(bǔ)充而不是阻礙現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。所以,一些用戶或許會(huì)購買準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)MIMO增強(qiáng)型Wi-Fi產(chǎn)品以期利用MIMO-OFDM的出眾性能,而另一些用戶卻可能會(huì)發(fā)現(xiàn),僅將這些設(shè)備添加到基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)中就能幫助他們解決問題。

供稿:Datacomm Research公司