前言

　　發(fā)生了什么樣的技術(shù)變化？

　　多路輸入多路輸出（MIMO）技術(shù)作為一種關(guān)鍵的性能增強(qiáng)技術(shù)至今已在WLAN（802.11）系統(tǒng)中運(yùn)用五年多了。您可能會(huì)問(wèn)，“MIMO系統(tǒng)到底有什么新穎之處，值得我們?nèi)绱藷崃业赜懻摚俊?/p>

　　答案就在于無(wú)線視頻。無(wú)線視頻正迅速地驅(qū)動(dòng)MIMO系統(tǒng)進(jìn)入平板電腦和其他移動(dòng)平臺(tái)，并正在把WLAN系統(tǒng)的性能推向一個(gè)新的高度。用戶(hù)也期待基于WLAN技術(shù)流暢、可靠的視頻傳送。WLAN以往的應(yīng)用主要是基本的數(shù)據(jù)傳輸（電子郵件、網(wǎng)上沖浪、文件傳輸?shù)龋且曨l傳送是完全不同的應(yīng)用，視頻傳送需要低延時(shí)和穩(wěn)定高速的數(shù)據(jù)速率來(lái)確保圖像的流暢。

　　MIMO技術(shù)在視頻傳送中的應(yīng)用

　　當(dāng)今，大量的設(shè)備正在使用802.11 MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行視頻傳送。典型的應(yīng)用有平板電腦、筆記本電腦、甚至是智能手機(jī)與智能電視的無(wú)線連接。此外，802.11 MIMO 系統(tǒng)正日益廣泛地被用于家庭影音環(huán)境，比如說(shuō)：將視頻內(nèi)容從一部數(shù)碼錄像機(jī)（DVR）傳輸?shù)诫娨暀C(jī)或電視機(jī)頂盒。這種傳輸方式的好處是能避免特殊的線路連接和復(fù)雜的安裝過(guò)程。

　　基于 WiFi無(wú)線視頻內(nèi)容共享的主要協(xié)議包括：

　　· Miracast – WiFi Alliance?支持的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)802.11無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，它具有整合1080P 視頻和Dolby? 5.1音頻的能力。安卓（Android）4.2就內(nèi)置了對(duì)Miracast的支持功能。

　　· AirPlay?– Apple公司的專(zhuān)利技術(shù)，能由智能手機(jī)或平板電腦向連接 Apple TV裝置的電視機(jī)傳送視頻、音頻和圖片。

　　· WiFi Direct – 與 Miracast相似的、能整合視頻和音頻信號(hào)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。安卓4.0以上系統(tǒng)都支持此協(xié)議。

　　正是由于上述標(biāo)準(zhǔn)化工作的開(kāi)展，用MIMO技術(shù)增強(qiáng)的802.11技術(shù)正在迅速成為移動(dòng)設(shè)備和固定設(shè)備之間傳送高清視頻內(nèi)容的基本技術(shù)。

　　MIMO技術(shù)在提高可靠性、頻譜效益和吞吐量方面的應(yīng)用

　　MIMO技術(shù)能用于優(yōu)化無(wú)線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。根據(jù)不同的實(shí)施方式，它能改善以下三種系統(tǒng)性能中的任意一種：

　　· 可靠性 – 確保正在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能正確接收

　　· 頻譜效率 – 提高特定帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量

　　· 吞吐量 – 提高無(wú)線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可選擇在犧牲一個(gè)參數(shù)性能（如可靠性）的前提下充分優(yōu)化另一個(gè)參數(shù)（如吞吐量），或者以較低的程度對(duì)全部參數(shù)（如吞吐量和可靠性）進(jìn)行優(yōu)化。

　　圖1中假設(shè)有一個(gè)最佳的高頻譜效益MIMO信道（一個(gè)具有奇異值平坦分布特性的信道矩陣），我們發(fā)現(xiàn)，MIMO系統(tǒng)能以低得多的單位信息接收能量獲得較高的頻譜效益。

　　圖1：頻譜效益與信息位能量（Eb/N0，按噪音譜密度歸一化）的關(guān)系

　　此圖對(duì)四種不同MxM值的MIMO（多路輸入多路輸出）系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并假設(shè)采用了有奇異值平坦分布特性的信道矩陣（資料來(lái)源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期）。

　　MIMO技術(shù)實(shí)施時(shí)，用戶(hù)可使用較高階數(shù)的系統(tǒng)（如更多的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）以提高覆蓋范圍、可靠性和處理能力（bits/sec/Hz）。當(dāng)然，這通常會(huì)需要更多的天線布置空間以及更大的能耗。圖2表明隨著系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)/接收機(jī)數(shù)量的增加，處理能力也得到相應(yīng)提高。

　　圖2：高階數(shù)MIMO系統(tǒng)應(yīng)用對(duì)吞吐量的影響

　　在圖2中您將注意到隨著MIMO階數(shù)的提高，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力（bits/sec/Hz）變得更大，這意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，或者可增加更多的用戶(hù)數(shù)量。另外，圖中也可以看出，數(shù)據(jù)容量的顯著提高發(fā)生在1級(jí)無(wú)線設(shè)備升級(jí)為4級(jí)無(wú)線設(shè)備的過(guò)程中，之后，數(shù)據(jù)容量的提高速率逐漸降低。

　　考察當(dāng)前市場(chǎng)上已有的WLAN MIMO技術(shù)解決方案后，我們將發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)和更小型化的移動(dòng)裝置幾乎都是單一輸入與單一輸出（SISO）的解決方案。這主要?dú)w因于天線空間和功耗。一個(gè)MIMO系統(tǒng)想要正常工作，各天線上的信號(hào)就需要不相關(guān)，不相關(guān)便意味著信號(hào)的增加不能以一種信號(hào)疊加后會(huì)產(chǎn)生峰值的形式進(jìn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，天線與天線間的隔離度需保持在 6 dB左右以確保將實(shí)際系統(tǒng)中信號(hào)相關(guān)性控制在最低程度。這意味著天線與天線之間必須有一定的間距，而像智能手機(jī)等裝置中往往沒(méi)有多少空間，尤其是考慮到智能手機(jī)所必須支持的多種蜂窩通信和無(wú)線互聯(lián)技術(shù)的頻段時(shí)更是如此。

　　平板電腦等較大的裝置則能容納更多的天線和更大的天線間距。截至到本文發(fā)稿時(shí)，市場(chǎng)上已推出幾款 2x2 WLAN MIMO型平板電腦，這些產(chǎn)品能利用MIMO技術(shù)帶來(lái)的更高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和吞吐量。

　　筆記本電腦由于能保證較大的內(nèi)部天線空間（相當(dāng)或大于平板電腦）并配備了較大容量的電池（能支持更多的發(fā)射機(jī)，也不會(huì)降低電池壽命），所以一般都是 2x2 或 3x3 的系統(tǒng)。

　　最后，4x4 WLAN MIMO系統(tǒng)也已開(kāi)始出現(xiàn)，其初步應(yīng)用瞄準(zhǔn)了機(jī)頂盒的視頻傳送性能，因?yàn)闄C(jī)頂盒能從這種4x4 MIMO系統(tǒng)所提供的更好的傳輸可靠性和更大的數(shù)據(jù)容量中真正受益。

　　MIMO原理

　　傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)采用單一輸入與單一輸出（SISO）的設(shè)置方法，即在無(wú)線連接的兩個(gè)終端都使用一個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)。數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的最新研究成果為我們帶來(lái)了多天線技術(shù)，它能顯著地提高數(shù)據(jù)吞吐量和改善無(wú)線連接的穩(wěn)定性。這些多天線技術(shù)就是我們稱(chēng)為MIMO（多路輸入多路輸出）的技術(shù)，它在無(wú)線連接的各個(gè)終端都使用多個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，在一定的信道條件下，能獲得比SISO高出幾倍的吞吐量。

　　MIMO技術(shù)僅指出了特定裝置的天線數(shù)量。MIMO定義中的“輸入”和“輸出”二詞分別表示一個(gè)無(wú)線信號(hào)在空間的發(fā)射和接收。而且，這能獨(dú)立地應(yīng)用到上行和下行兩種鏈路中。

　　從這個(gè)總的定義出發(fā)我們可以推理出更多特殊的多天線應(yīng)用實(shí)例，如：多重輸入單一輸出（MISO），單一輸入多重輸出（SIMO），以及多路輸入多路輸出（MIMO）。這些實(shí)際應(yīng)用可用圖3表示。SIMO系統(tǒng)由于配備多個(gè)接收天線能形成接收分集，而MISO系統(tǒng)因?yàn)橛卸鄠€(gè)發(fā)射天線，所以能形成發(fā)射分集。MIMO系統(tǒng)則綜合了SIMO和MISO兩種應(yīng)用的特點(diǎn)，它能同時(shí)利用發(fā)射分集和接收分集特性來(lái)改善無(wú)線連接的穩(wěn)定性，同時(shí)使用多個(gè)可辨別的空間信道來(lái)提高無(wú)線連接的吞吐量。本文將集中討論MIMO系統(tǒng)。

　　圖3：MISO、SIMO和MIMO構(gòu)架

　　MIMO技術(shù)根據(jù)信道條件可分為兩種工作模式，即空間復(fù)用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-時(shí)分組編碼（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO裝置會(huì)根據(jù)信道條件在SM和STBC兩種模式中動(dòng)態(tài)切換以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

　　空間復(fù)用模式

　　空間復(fù)用模式（SM）的基本原理是用每根天線發(fā)送相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)。從各天線發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)在接收機(jī)端經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理后被分離，這種處理通常會(huì)包含線性去相關(guān)檢測(cè)和非線性干擾解除兩個(gè)操作。

　　我們平時(shí)提到MIMO時(shí)通常是在說(shuō)SM工作模式，因?yàn)檫@種模式具有顯著提高無(wú)線連接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依賴(lài)一定的信道條件和信噪比（SNR）。多徑信道通常要求較高的非相關(guān)性。與SISO傳輸方式相比，對(duì)于相同的調(diào)制和編碼方法，多徑信道信噪比（SNR）要求也更高。

　　IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)SM技術(shù)：直接映射和空間擴(kuò)展。使用直接映射技術(shù)時(shí)，每個(gè)MIMO數(shù)據(jù)流都通過(guò)一個(gè)發(fā)送鏈路傳送，數(shù)據(jù)流與傳送鏈路之間是1對(duì)1的映射關(guān)系。使用空間擴(kuò)展技術(shù)時(shí)，MIMO數(shù)據(jù)流先按信道評(píng)估情況用一個(gè)矩陣復(fù)用，然后再通過(guò)不同的發(fā)送信道予以傳輸。圖4直觀地表示了直接映射技術(shù)和空間擴(kuò)展技術(shù)的特點(diǎn)。

　　圖4：直接映射和空間擴(kuò)展