MIMO-OFDM技術和WLAN性能的關系分析

任何一種無線連接的質(zhì)量和有用性都可以通過三個基本參數(shù)進行完全描述，分別是：速度、范圍以及可靠性。MIMO-OFDM出現(xiàn)之前，上述3個參數(shù)依據(jù)嚴格的規(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現(xiàn)；范圍的擴展以犧牲速度和可靠性為代價；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，因為它能同時提升上述3個參數(shù)的性能。MIMO最終將使包括移動電話在內(nèi)的所有主要無線產(chǎn)業(yè)受益，但眼下，WLAN引領了利用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點的發(fā)射器到B點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)射信號會通過其它路徑(從環(huán)境中的物體、大地以及大氣層反射等)到達接收器。

圖1：多徑傳播如何影響無線信號。

經(jīng)非直接通道傳輸?shù)男盘柕竭_接收器的時間會略晚于正常信號，而且通常會衰減。處理衰減的多徑信號的一般做法是簡單的忽略。但是，當多徑信號太強以至于無法忽略時，會導致基于現(xiàn)有標準WLAN設備的性能下降。

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

無論何種緩解技術，它們都假定多徑信號是無用甚至有害的，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非但沒有想方設法消除多徑信號，而是讓多徑信號攜帶更多的信息。MIMO技術通過在相同無線信道內(nèi)同時發(fā)射并接收多個數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)了上述目的。多波形技術的使用構成了一種新的無線通信模式――利用多維信號進行通信，該模式是目前為止唯一已知的能同時提高三個基本連接性能參數(shù)(范圍、速度和可靠性)的方法。

因為MIMO通過通信信道傳輸多信號(而不是傳統(tǒng)系統(tǒng)中的單信號)，所以MIMO擁有成倍的信息載荷能力(這是速度的另一種表達方式)。無線能力的一個通用測度標準是頻譜效率，即單位時間內(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，工程師想方設法才能漸進地提升頻譜效率(例如，每次增加一個b/s/Hz)。通過在同一個頻道內(nèi)傳輸包含不同信息流的多個信號，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，工程師必須使其設計適應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會。

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、更強的可靠性或上述指標的任意組合。通過增加頻譜效率，MIMO為多種新應用敞開了大門，同時還節(jié)省了現(xiàn)有應用的實施成本。

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：兩個系統(tǒng)都采用多個天線，天線的布置在可實施前提下盡可能遠離。但只要深入研究，你就會發(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(又稱波束切換)將信號能量聚集于主路徑，而后利用接收合成技術(又叫分集)捕捉在任一給定時間內(nèi)的最強信號。注意：波束成形和接收合成僅僅是多徑緩解技術，并不能將無線信道的數(shù)據(jù)吞吐量加倍(見圖2)。

但這并不意味著波束成形和接收合成技術毫無用處。在點對點應用中(例如，戶外無線回傳應用)，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只能稱的上是對傳統(tǒng)無線系統(tǒng)性能的提升極有價值，而MIMO是一次可資標榜的轉(zhuǎn)變，它戲劇性地改變了人們對多徑傳播的接收度和反應。接收合成和波束成形只能一次將頻譜效率增加一或兩個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)制或接入技術共同使用。今天，大多數(shù)數(shù)字無線系統(tǒng)選用時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)或正交頻分復用(OFDM)技術。

時分系統(tǒng)在窄頻信道上傳輸數(shù)據(jù)，采用時槽(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也是一個寬頻系統(tǒng)，但與在整個信道連續(xù)擴展信號的CDMA不同，OFDM采用多個分離的低數(shù)據(jù)速率子信道.

MIMO可以與任何調(diào)制和接入技術一同使用。研究顯示，執(zhí)行過程非常簡單，特別是對用于高數(shù)據(jù)速率的MIMO-OFDM而言更是如此。值得一提的是，MIMO-OFDM信號能用相對直接的矩陣代數(shù)進行處理。

MIMO-OFDM如何使基于現(xiàn)有標準的產(chǎn)品受益

集成準標準MIMO增強型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，這一事實也暗示了另一個優(yōu)勢。準標準MIMO產(chǎn)品裝配有天線和其它必須電路，當基于現(xiàn)有標準模式進行操作時，可以提供智能天線功能。

事實上，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，準標準MIMO產(chǎn)品不僅能夠與現(xiàn)有Wi-Fi標準完全兼容，還能夠增強這些標準的表現(xiàn)性能。

這從另一個方面也證明，準標準MIMO的增強效果可以被用來補充而不是阻礙現(xiàn)有標準。所以，一些用戶或許會購買準標準MIMO增強型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發(fā)現(xiàn)，僅將這些設備添加到基于標準的網(wǎng)絡中就能幫助他們解決問題。