提升4G高速聯網品質　手機搭載MIMO天線(xiàn)勢起

發表時間：2019-01-09

面對行動數據傳輸量快速增長，電信業者與行動裝置制造商已開始在4G通訊設備中，采納多串流多重輸入多重輸出天線(xiàn)設計，以在不增加頻(pín)寬的情況下，提高通訊系統的通道容量和頻(pín)譜利用率，纾解網路流量壅塞問題。

多重輸入多重輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通訊技術能提供以下優點：首先，可以利用空間分集技術，使無線(xiàn)通訊系統對于雜(zá)訊、幹擾、多路徑影響的容忍限度大大增加；其次，可在不增加頻(pín)寬的情況下，成倍提高通訊系統的通道容量和頻(pín)譜利用率。

空間多工技術就是(shì)在接收端和發射端使用多根天線(xiàn)，充分利用空間中多重傳輸路徑的分量，在同一頻(pín)帶上使用多個資料通道(MIMO子通道)發射訊号，使通道容量随着天線(xiàn)數量的增加而線(xiàn)性增加。這種通道容量的增加不占用額外的頻(pín)寬，也不消耗額外的發射功率，因此是(shì)增加通道和系統容量的一種非常有效的方法。

強化接收功率MIMO天線(xiàn)擴展通道容量

相(xiàng)對于有線(xiàn)通訊系統而言，無線(xiàn)通訊系統對于數據傳輸的能力在目前仍然是(shì)相(xiàng)當有限。無線(xiàn)通訊系統的數據傳輸速率可藉由多種通訊技術來增進，其中一項技術，就是(shì)于發射端或接收端設計多根天線(xiàn)在天線(xiàn)陣列上。

在一般情況下，發射端和接收端使用MIMO天線(xiàn)，相(xiàng)較于單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)天線(xiàn)，可以增加平均接收功率，并進一步獲得更多的通道容量(圖1)。與SISO相(xiàng)比，MIMO可以将多種通道分切成個别的空間通道，然後對于通訊系統提供一個額外的空間維度，和産生一個空間自由度的增益。

圖12X2 MIMO系統空間自由度是(shì)計算MIMO通道容量的重要因素，有很多理論指出空間自由度可以提高通道容量。其實，MIMO通道容量的重要因素，有很多理論指出空間自由度可以提高通道容量。其實，MIMO空間自由度的數目，是(shì)受發射天線(xiàn)Nt和接收天線(xiàn)Nr之最小數目Nm所限制；換句話(huà)說，MIMO空間自由度的最大數目也是(shì)Nm(表1)

對SIMO和MISO而言，Nm的數值都是(shì)1，意味着隻能夠支持單通道進行通訊，因此，SIMO和MISO不能産生空間多工。相(xiàng)較于SIMO與MISO，MIMO具有對稱和非對稱設計，能夠支持更多個别空間的多重通道産生空間多工，并獲取更高的通道容量。

在MIMO通道上，這些額外的空間自由度可以被空間多工的多個資料數據流同時利用，因而達到容量增加的目的。在發射端和接收端皆使用多根天線(xiàn)的情境下，隻要有足夠的散射環境，就可以提供夠高的通道容量。

目前MIMO技術在無線(xiàn)通訊中已引起相(xiàng)當大的關注，現(xiàn)有的先進通訊系統中，在發射端和接收端多使用多根天線(xiàn)，以達成更高的頻(pín)譜利用率，和鏈路連結可靠性。

MIMO是(shì)一種用來描述多天線(xiàn)無線(xiàn)通訊系統的抽象數學模型，能在發射端的多個天線(xiàn)各自獨立發送訊号，同時在接收端用多個天線(xiàn)接收并恢複原資訊。該技術最早是(shì)由馬可尼(Guglielmo Marconi)于1908年提出，他利用多天線(xiàn)來抑制通道衰落(Fading)。由于MIMO可以在不須要增加頻(pín)寬或總發送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下，大幅增加系統的通道容量及傳送距離(lí)，使得此技術于近幾年受到高度關注。

MIMO的核心概念，爲利用多根發射天線(xiàn)與多根接收天線(xiàn)所提供之空間自由度，來有效提升無線(xiàn)通訊系統之頻(pín)譜效率，同時提升傳輸速率并改善通訊品質。MIMO能夠确保在傳輸範圍内訊号的穩固連接，還能保證其他設備所要求的各種訊号範圍服務品質。

消費(fèi)者将受益于較大的訊号涵蓋範圍、傳輸量，還有較高的可靠性與低功耗等，同時它具備對網路上現(xiàn)有設備的相(xiàng)容性，對既有的網路沒有任何影響。MIMO的主要應用有空間多樣(Spatial Diversity)、空間多工(Spatial Multiplexing)以及波束成形(Beamforming)等，詳述如下：

空間多工

通訊系統工作在MIMO天線(xiàn)配置下，能夠在不增加頻(pín)寬，比SISO系統成倍地提升資訊傳輸速率，從而大幅提高頻(pín)譜利用率。在發射端，高速率之數據流被分割爲多個較低速率的子數據流，不同的子數據流在不同發射天線(xiàn)上，于相(xiàng)同頻(pín)段上發射出去(qù)。

如果發射端與接收端的天線(xiàn)陣列之間，構成的空間子通道具有足夠相(xiàng)異性，即能夠在時域和頻(pín)域之外，額外提供空域的維度，使不同發射天線(xiàn)上傳送的訊号之間能夠相(xiàng)互區别，因此接收機能夠區分出這些并行的子數據流，而不須付出額外的頻(pín)率或者時間資源。空間多工技術在高訊雜(zá)比條件下能夠提高通道容量。

空間多樣

利用發射或接收端的多根天線(xiàn)所提供之多重傳輸途徑發送相(xiàng)同資料，以增強資料的傳輸品質。

波束成形

藉由多根天線(xiàn)産生一個具有指向性的波束，将能量集中在欲傳輸的方向，增加訊号品質，并減少與其他訊号間的幹擾。

環境複雜(zá)度/天線(xiàn)設計　影響空間自由度

在2×2的應用情境下，長程演進計畫(LTE)定義了二個碼字(Codeword)的使用者資訊，分别代表不同的調變及通道編碼方式，可支援的Codeword數目則取決于當時通道的容量(圖2)。

圖2　多天線(xiàn)訊号流程圖

傳輸層的數目表示獨立的資料流數目，一個Codeword可對應到一個或多個資料流，而資料流的個數必定小于或等于實際天線(xiàn)的數目。将資料流映射到多根天線(xiàn)的步驟稱爲預編碼(Precoding)，預編碼通常用一個轉換矩陣來表示，而傳輸層映射(LayerMapping)以及預編碼的内容則和MIMO的應用有關。先進長程演進計畫(LTE-Advanced)所定義的基地台天線(xiàn)數可爲一、二、四或八根，而使用者端的天線(xiàn)數爲一、二或四根。

技術在理論上，是(shì)将可能的多路徑通道分切幾個非關聯子通道，同時傳送多重資料數據流經過通道，而獲得高通道容量，因爲它可以提供更多的空間自由度。MIMO通道容量主要是(shì)受路徑的數量，與真實環境中各個子通道相(xiàng)關性影響，這兩種因素，也影響空間所提供的自由度。

一個非常複雜(zá)的環境，可以提供大量路徑及小的子通道相(xiàng)關性，以獲得較高的MIMO通道容量；反之，如果是(shì)非常簡單的環境，則爲相(xiàng)對的結果。空間自由度不僅取決于環境的複雜(zá)度，還包含發射端和接收端的天線(xiàn)的數目。換言之，要獲取必要的MIMO通道容量，環境複雜(zá)度和适合的天線(xiàn)設計，須要同時研究思考。

2×2MIMO設計朝向多通訊規格兼容

要如何在有限的面積下發揮最大的輻射效率，利用多天線(xiàn)在相(xiàng)同時間、相(xiàng)同頻(pín)段，以達到空間多工，并在不增加通訊資源下，實現(xiàn)提升系統到理論上有效資料傳輸率的兩倍，需要有以下的設計考量。

天線(xiàn)輻射效率

爲配合電子産品尺寸而縮小天線(xiàn)的面積，會造成天線(xiàn)輻射效率(Radiation Efficiency)變差，可能原因如下：

．(1)電流互相(xiàng)抵銷效應。

．(2)介質材質所造成的損耗。

．(3)電流大小受限于歐姆損耗。

．(4)阻抗匹配不良造成天線(xiàn)傳輸能量耗損。

以上四種效應都是(shì)會造成天線(xiàn)輻射效率不好的原因，尤其在多根傳送天線(xiàn)的手持式産品上，更須要有效提升每根天線(xiàn)的輻射效率。

天線(xiàn)隔離(lí)度

将多根天線(xiàn)放(fàng)在面積受限的手持裝置上，将面臨的另一項挑戰爲天線(xiàn)隔離(lí)度(Antenna Isolation)，除天線(xiàn)隔離(lí)距離(lí)變小外，共振尺寸亦将變大，尤其在低頻(pín)段的操作底下，天線(xiàn)波長将大幅增加，使得多天線(xiàn)之間會有強烈的天線(xiàn)互耦效應。

若天線(xiàn)隔離(lí)度不夠好，發射端所發射的訊号将會被其他天線(xiàn)所吸收回來，因此造成天線(xiàn)傳送的效率變差，同時影響到訊号的正确性。互耦效應還會導緻訊号在空間中各個子通道的相(xiàng)關性無法降低，以至于降低通道的多樣性。因此，如何提升收發天線(xiàn)的隔離(lí)度，就變成一個值得研究的課題。