提升4G高速聯(lián)網(wǎng)品質(zhì)　手機(jī)搭載MIMO天線勢(shì)起

發(fā)表時(shí)間：2019-01-09

? ? ?面對(duì)行動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸量快速增長(zhǎng)，電信業(yè)者與行動(dòng)裝置制造商已開(kāi)始在4G通訊設(shè)備中，采納多串流多重輸入多重輸出天線設(shè)計(jì)，以在不增加頻寬的情況下，提高通訊系統(tǒng)的通道容量和頻譜利用率，紓解網(wǎng)路流量壅塞問(wèn)題。

? ? ?多重輸入多重輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通訊技術(shù)能提供以下優(yōu)點(diǎn)：首先，可以利用空間分集技術(shù)，使無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)于雜訊、干擾、多路徑影響的容忍限度大大增加；其次，可在不增加頻寬的情況下，成倍提高通訊系統(tǒng)的通道容量和頻譜利用率。

? ? ?空間多工技術(shù)就是在接收端和發(fā)射端使用多根天線，充分利用空間中多重傳輸路徑的分量，在同一頻帶上使用多個(gè)資料通道(MIMO子通道)發(fā)射訊號(hào)，使通道容量隨著天線數(shù)量的增加而線性增加。這種通道容量的增加不占用額外的頻寬，也不消耗額外的發(fā)射功率，因此是增加通道和系統(tǒng)容量的一種非常有效的方法。

? ? ?強(qiáng)化接收功率MIMO天線擴(kuò)展通道容量

? ? ?相對(duì)于有線通訊系統(tǒng)而言，無(wú)線通訊系統(tǒng)對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰υ谀壳叭匀皇窍喈?dāng)有限。無(wú)線通訊系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率可藉由多種通訊技術(shù)來(lái)增進(jìn)，其中一項(xiàng)技術(shù)，就是于發(fā)射端或接收端設(shè)計(jì)多根天線在天線陣列上。

? ? ?在一般情況下，發(fā)射端和接收端使用MIMO天線，相較于單輸入單輸出(Single-Input Single-Output, SISO)天線，可以增加平均接收功率，并進(jìn)一步獲得更多的通道容量(圖1)。與SISO相比，MIMO可以將多種通道分切成個(gè)別的空間通道，然后對(duì)于通訊系統(tǒng)提供一個(gè)額外的空間維度，和產(chǎn)生一個(gè)空間自由度的增益。

? ? ?圖12X2 MIMO系統(tǒng)空間自由度是計(jì)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(shí)，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(shí)，MIMO空間自由度的數(shù)目，是受發(fā)射天線Nt和接收天線Nr之最小數(shù)目Nm所限制；換句話說(shuō)，MIMO空間自由度的最大數(shù)目也是Nm(表1)

? ? ?對(duì)SIMO和MISO而言，Nm的數(shù)值都是1，意味著只能夠支持單通道進(jìn)行通訊，因此，SIMO和MISO不能產(chǎn)生空間多工。相較于SIMO與MISO，MIMO具有對(duì)稱和非對(duì)稱設(shè)計(jì)，能夠支持更多個(gè)別空間的多重通道產(chǎn)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(gè)資料數(shù)據(jù)流同時(shí)利用，因而達(dá)到容量增加的目的。在發(fā)射端和接收端皆使用多根天線的情境下，只要有足夠的散射環(huán)境，就可以提供夠高的通道容量。

? ? ?目前MIMO技術(shù)在無(wú)線通訊中已引起相當(dāng)大的關(guān)注，現(xiàn)有的先進(jìn)通訊系統(tǒng)中，在發(fā)射端和接收端多使用多根天線，以達(dá)成更高的頻譜利用率，和鏈路連結(jié)可靠性。

? ? ?MIMO是一種用來(lái)描述多天線無(wú)線通訊系統(tǒng)的抽象數(shù)學(xué)模型，能在發(fā)射端的多個(gè)天線各自獨(dú)立發(fā)送訊號(hào)，同時(shí)在接收端用多個(gè)天線接收并恢復(fù)原資訊。該技術(shù)最早是由馬可尼(Guglielmo Marconi)于1908年提出，他利用多天線來(lái)抑制通道衰落(Fading)。由于MIMO可以在不須要增加頻寬或總發(fā)送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下，大幅增加系統(tǒng)的通道容量及傳送距離，使得此技術(shù)于近幾年受到高度關(guān)注。

? ? MIMO的核心概念，為利用多根發(fā)射天線與多根接收天線所提供之空間自由度，來(lái)有效提升無(wú)線通訊系統(tǒng)之頻譜效率，同時(shí)提升傳輸速率并改善通訊品質(zhì)。MIMO能夠確保在傳輸范圍內(nèi)訊號(hào)的穩(wěn)固連接，還能保證其他設(shè)備所要求的各種訊號(hào)范圍服務(wù)品質(zhì)。

? ? ?消費(fèi)者將受益于較大的訊號(hào)涵蓋范圍、傳輸量，還有較高的可靠性與低功耗等，同時(shí)它具備對(duì)網(wǎng)路上現(xiàn)有設(shè)備的相容性，對(duì)既有的網(wǎng)路沒(méi)有任何影響。MIMO的主要應(yīng)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(tǒng)工作在MIMO天線配置下，能夠在不增加頻寬，比SISO系統(tǒng)成倍地提升資訊傳輸速率，從而大幅提高頻譜利用率。在發(fā)射端，高速率之?dāng)?shù)據(jù)流被分割為多個(gè)較低速率的子數(shù)據(jù)流，不同的子數(shù)據(jù)流在不同發(fā)射天線上，于相同頻段上發(fā)射出去。

? ? ?如果發(fā)射端與接收端的天線陣列之間，構(gòu)成的空間子通道具有足夠相異性，即能夠在時(shí)域和頻域之外，額外提供空域的維度，使不同發(fā)射天線上傳送的訊號(hào)之間能夠相互區(qū)別，因此接收機(jī)能夠區(qū)分出這些并行的子數(shù)據(jù)流，而不須付出額外的頻率或者時(shí)間資源?？臻g多工技術(shù)在高訊雜比條件下能夠提高通道容量。

? ? ?空間多樣

? ? ?利用發(fā)射或接收端的多根天線所提供之多重傳輸途徑發(fā)送相同資料，以增強(qiáng)資料的傳輸品質(zhì)。

? ? ?波束成形

? ? ?藉由多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，增加訊?hào)品質(zhì)，并減少與其他訊號(hào)間的干擾。

? ? ?環(huán)境復(fù)雜度/天線設(shè)計(jì)　影響空間自由度

? ? ?在2×2的應(yīng)用情境下，長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)定義了二個(gè)碼字(Codeword)的使用者資訊，分別代表不同的調(diào)變及通道編碼方式，可支援的Codeword數(shù)目則取決于當(dāng)時(shí)通道的容量(圖2)。

? ? ?圖2　多天線訊號(hào)流程圖

? ? ?傳輸層的數(shù)目表示獨(dú)立的資料流數(shù)目，一個(gè)Codeword可對(duì)應(yīng)到一個(gè)或多個(gè)資料流，而資料流的個(gè)數(shù)必定小于或等于實(shí)際天線的數(shù)目。將資料流映射到多根天線的步驟稱為預(yù)編碼(Precoding)，預(yù)編碼通常用一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣來(lái)表示，而傳輸層映射(LayerMapping)以及預(yù)編碼的內(nèi)容則和MIMO的應(yīng)用有關(guān)。先進(jìn)長(zhǎng)程演進(jìn)計(jì)畫(LTE-Advanced)所定義的基地臺(tái)天線數(shù)可為一、二、四或八根，而使用者端的天線數(shù)為一、二或四根。

? ? ?技術(shù)在理論上，是將可能的多路徑通道分切幾個(gè)非關(guān)聯(lián)子通道，同時(shí)傳送多重資料數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)通道，而獲得高通道容量，因?yàn)樗梢蕴峁└嗟目臻g自由度。MIMO通道容量主要是受路徑的數(shù)量，與真實(shí)環(huán)境中各個(gè)子通道相關(guān)性影響，這兩種因素，也影響空間所提供的自由度。

? ? ?一個(gè)非常復(fù)雜的環(huán)境，可以提供大量路徑及小的子通道相關(guān)性，以獲得較高的MIMO通道容量；反之，如果是非常簡(jiǎn)單的環(huán)境，則為相對(duì)的結(jié)果?？臻g自由度不僅取決于環(huán)境的復(fù)雜度，還包含發(fā)射端和接收端的天線的數(shù)目。換言之，要獲取必要的MIMO通道容量，環(huán)境復(fù)雜度和適合的天線設(shè)計(jì)，須要同時(shí)研究思考。

? ? 2×2MIMO設(shè)計(jì)朝向多通訊規(guī)格兼容

? ? ?要如何在有限的面積下發(fā)揮最大的輻射效率，利用多天線在相同時(shí)間、相同頻段，以達(dá)到空間多工，并在不增加通訊資源下，實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)到理論上有效資料傳輸率的兩倍，需要有以下的設(shè)計(jì)考量。

? ? ?天線輻射效率

? ? ?為配合電子產(chǎn)品尺寸而縮小天線的面積，會(huì)造成天線輻射效率(Radiation Efficiency)變差，可能原因如下：

? ? ．(1)電流互相抵銷效應(yīng)。

? ? ．(2)介質(zhì)材質(zhì)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傳輸能量耗損。

? ? ?以上四種效應(yīng)都是會(huì)造成天線輻射效率不好的原因，尤其在多根傳送天線的手持式產(chǎn)品上，更須要有效提升每根天線的輻射效率。

? ? ?天線隔離度

? ? ?將多根天線放在面積受限的手持裝置上，將面臨的另一項(xiàng)挑戰(zhàn)為天線隔離度(Antenna Isolation)，除天線隔離距離變小外，共振尺寸亦將變大，尤其在低頻段的操作底下，天線波長(zhǎng)將大幅增加，使得多天線之間會(huì)有強(qiáng)烈的天線互耦效應(yīng)。

? ? ?若天線隔離度不夠好，發(fā)射端所發(fā)射的訊號(hào)將會(huì)被其他天線所吸收回來(lái)，因此造成天線傳送的效率變差，同時(shí)影響到訊號(hào)的正確性?；ヱ钚?yīng)還會(huì)導(dǎo)致訊號(hào)在空間中各個(gè)子通道的相關(guān)性無(wú)法降低，以至于降低通道的多樣性。因此，如何提升收發(fā)天線的隔離度，就變成一個(gè)值得研究的課題。

? ? ?天線相關(guān)性

? ? ?在高度散射環(huán)境下，MIMO的通道容量將隨天線個(gè)數(shù)增加而提升通道容量。然而實(shí)際應(yīng)用中，會(huì)因?yàn)楣ぷ黝l率或天線距離不足，造成天線相關(guān)性(Antenna Correlation)太高而影響通道容量。

? ? ?一般通訊系統(tǒng)僅考量通道相關(guān)性，而忽略天線訊號(hào)互相干擾的問(wèn)題，因此天線性的相關(guān)性計(jì)算除了輻射場(chǎng)型外，尚須考慮天線元件間耦合等效性造成的影響。

? ? ?天線頻寬

? ? ?天線頻寬(Antenna Bandwidth)是指它有效工作的頻率范圍，通常以其共振頻率為中心。小型天線通常使用方便，但在頻寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

? ? ?為因應(yīng)現(xiàn)有多媒體通訊的大頻寬應(yīng)用，與縮小化元件的需求，天線設(shè)計(jì)亦應(yīng)著重于其能涵蓋的頻率范圍，可調(diào)頻帶與頻寬之匹配網(wǎng)路設(shè)計(jì)，可讓天線運(yùn)作在多種通訊規(guī)格中，是未來(lái)天線設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。

? ? ?4G LTE服務(wù)興起　MIMO天線技術(shù)看俏隨著行動(dòng)裝置的資料傳輸量與日俱增，對(duì)更高網(wǎng)路容量與更高性能的需求也持續(xù)成長(zhǎng)。目前MIMO天線技術(shù)已開(kāi)始萌芽，因應(yīng)電信業(yè)者4G LTE服務(wù)開(kāi)臺(tái)，MIMO天線將會(huì)成重要元件。