所有的無線技術(shù)都面臨信號衰落、多徑、不斷增加的干擾和受限制的頻譜的挑戰(zhàn)。多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)在不需要占用額外的無線電頻率的條件下，利用多徑來提供更高的數(shù)據(jù)吞吐量，并同時增加覆蓋范圍和可靠性。它解決了當(dāng)今任何無線電技術(shù)都面臨的兩個最困難的問題，即速度與覆蓋范圍。

使用MIMO處理的數(shù)字通信技術(shù)已經(jīng)作為具有革命性重要意義的無線電系統(tǒng)的突破性技術(shù)出現(xiàn)。這種調(diào)制格式顯示出頻譜上的一致性，能實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和更高的頻譜效率，允許更大的覆蓋范圍，并支持與現(xiàn)有的OFDM標(biāo)準(zhǔn)的后向兼容。本文將解釋為何MIMO與其OFDM調(diào)制技術(shù)適合于下一代蜂窩技術(shù)的部署。但是，首先讓我們快速了解一下MIMO技術(shù)。

MIMO基礎(chǔ)

通常提供一個總結(jié)某種技術(shù)的突出特性的簡潔定義非常有用。MIMO即為相同的時間在相同的無線電信道內(nèi)傳輸?shù)膬蓚�或更多的數(shù)據(jù)信號。MIMO是一種在一個無線電信道內(nèi)傳輸和接收兩個或多個不同的數(shù)據(jù)流的革命性的多維方法，這樣系統(tǒng)在每個信道內(nèi)傳送的數(shù)據(jù)率能提高兩倍或更多倍。

如圖1所示，超過一個的射頻相干上變頻器和天線被用來發(fā)送多組信號，以及超過一個射頻相干下變頻器和天線被用于接收信號。采用MIMO，每個信道的最大數(shù)據(jù)速率隨著在同一個信道中傳輸?shù)牟煌瑪?shù)據(jù)流的數(shù)量呈現(xiàn)線性增長。

MIMO方法通過一個無線信道發(fā)送和接收兩個或更多的不同數(shù)據(jù)流。這意味著系統(tǒng)可以在每個信道上提供兩倍或更高的數(shù)據(jù)率。通過允許同時發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，如圖1所示，MIMO在不使用額外的頻譜條件下使無線數(shù)據(jù)傳輸容量數(shù)倍增加。

峰值吞吐量

在MIMO系統(tǒng)中峰值吞吐量增加的倍數(shù)等于在無線信道中傳輸?shù)男盘柫鲾?shù)量，由于從不同的無線電和天線發(fā)送出多個信號，MIMO信號某些時候被稱為“多維”信號。傳統(tǒng)的無線電信號被稱作“一維信號”，因為即使是使用多個天線，在無線電信道中都只傳送一個數(shù)據(jù)流。

隨著消費者的需求從高帶寬應(yīng)用如互聯(lián)網(wǎng)接入和電子郵件發(fā)展到包含游戲、音頻流和視頻流，對更高數(shù)據(jù)率的需求不斷增長。手機(jī)處理器的發(fā)展以及進(jìn)一步的技術(shù)集成(如將更高的數(shù)百萬像素相機(jī)、視頻等集成到手機(jī)中)，將只會增加更多消耗帶寬的應(yīng)用，需要覆蓋范圍更廣以及更有效地利用網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的有限頻譜。

Airgo網(wǎng)絡(luò)公司在WLAN領(lǐng)域的從MIMO到OFDM的研究、創(chuàng)新、開發(fā)和應(yīng)用，以及隨后802.11n標(biāo)準(zhǔn)組織對MIMO的采納，都證明MIMO不僅能提供更高的數(shù)據(jù)速率，而且擴(kuò)展了Wi-Fi的覆蓋距離，可以涵蓋更多的移動用戶份額。在看到MIMO在提高數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)展覆蓋距離的有效性以及優(yōu)越性后，其它的標(biāo)準(zhǔn)組織意識到MIMO可以為包括固定移動和蜂窩網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的其它技術(shù)帶來重大突破。像3G、WiBro、WiMAX、802.20和4G這些標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)在探討MIMO的使用，某些標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)在他們各自的技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)采用了該技術(shù)。

到4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展之路

CDMA技術(shù)從誕生之初就是一種革命性技術(shù)。因為CDMA技術(shù)相對于其它技術(shù)如GSM的優(yōu)越性，高通公司不僅推動了3GPP2標(biāo)準(zhǔn)，還滲透到了3GPP WCDMA標(biāo)準(zhǔn)。CDMA的巨大成功幫助高通公司從手機(jī)OEM廠商獲取了大量的權(quán)利金。

但是，最近OFDM已經(jīng)開始發(fā)展壯大，并正在以一種未來新的顛覆性技術(shù)的姿態(tài)出現(xiàn)。OFDM由于能夠在不需要復(fù)雜的均衡算法的條件下解決常見的射頻失真問題，以及能在頻域中輕易擴(kuò)展，已經(jīng)表現(xiàn)出其獨特優(yōu)勢。

在過去的幾年里，OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用到一些無線應(yīng)用中，如WLAN、廣播(DVB)和WiBro/WiMAX。最近，初創(chuàng)公司Flarion通過使下行鏈路峰值速率提高到3.2Mbps，證明了OFDM在蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的前景。

在認(rèn)識到OFDM作為4G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)的潛在可能后，高通公司收購了Flarion。這宗收購表明OFDM是下一代的無線技術(shù)。MIMO在第三代蜂窩系統(tǒng)、寬帶固定無線系統(tǒng)、高速WLAN和移動Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中處于采納或部署的不同階段。

在Airgo公司的開創(chuàng)性努力下，基于MIMO OFDM的經(jīng)濟(jì)的WLAN系統(tǒng)在2003年得以實現(xiàn)，這為無線電產(chǎn)業(yè)開辟了新的空間。MIMO OFDM將成為802.11n WLAN的基本調(diào)制格式，因為該標(biāo)準(zhǔn)的每種提案都將MIMO OFDM作為主要方式，以實現(xiàn)比802.11a或802.11g顯著提高的覆蓋范圍和吞吐量。

廣泛的采納

在過去幾年，除了WLAN以外，MIMO技術(shù)還滲透到其他很多重要的商業(yè)無線電市場，如圖2所示。多種基于MIMO的標(biāo)準(zhǔn)正在作為蜂窩網(wǎng)絡(luò)的前沿技術(shù)出現(xiàn)。MIMO正在實行標(biāo)準(zhǔn)化，以作為HSDPA和WCDMA的3GPP發(fā)展路線圖的一部分。

WiMAX寬帶無線接入網(wǎng)絡(luò)和3G蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)將MIMO作為提高性能的一種可選工作模式。MIMO OFDM已經(jīng)得到提議，并作為WiBro的一部分實現(xiàn)，并且已經(jīng)成為3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)的可行性研究的一部分。

在北京召開的一個會議上，大多數(shù)公司推薦基于OFDM的下行鏈路用于3GPP LTE(長期演進(jìn))。一些主要的手機(jī)OEM和網(wǎng)絡(luò)提供商正在開發(fā)以及在實驗室測試基于MIMO OFDM的下一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。主要的手機(jī)OEM和網(wǎng)絡(luò)提供商正在進(jìn)行研究和實驗室測試，并發(fā)布在有限的測試環(huán)境下實現(xiàn)MIMO的新聞。北電、愛立信、摩托羅拉和西門子等公司的測試表明了該技術(shù)的前景。

實現(xiàn)MIMO

Airgo公司在開發(fā)和發(fā)布基于MIMO的WLAN芯片組的成功證明了MIMO在提高基于標(biāo)準(zhǔn)OFDM產(chǎn)品的數(shù)據(jù)速率和覆蓋范圍上非常有效，并提供非常好的頻譜效率。將MIMO應(yīng)用到另外一種標(biāo)準(zhǔn)，并無需改變該標(biāo)準(zhǔn)的底層無線協(xié)議，能獲得性能上的提升。但是從實現(xiàn)的角度來看，MIMO系統(tǒng)在架構(gòu)和計算上非常復(fù)雜，需要很多復(fù)雜的算法、復(fù)雜的架構(gòu)和更高的數(shù)據(jù)處理能力。

圖3顯示了MIMO OFDM收發(fā)器鏈上Rx端的典型組件。

這個收發(fā)器鏈由MIMO部件組成，包括用于同步的模塊、信道估計、干擾處理以及MIMO檢測，還有OFDM部件，如FFT、去交織處理和解碼。Airgo在成功開發(fā)和制造三代基于MIMO OFDM的芯片組上具有專業(yè)技術(shù)、技巧和經(jīng)驗，并幫助其客戶有效地將MIMO技術(shù)集成到商業(yè)產(chǎn)品中。

Airgo還積累了很多重要的IP，并對其技術(shù)進(jìn)行了仔細(xì)優(yōu)化，包括如低復(fù)雜度接收算法、MIMO信道估計算法、MIMO和非MIMO收發(fā)器的混合、MIMO架構(gòu)、最優(yōu)的接收器系統(tǒng)以及無線通信算法等等。此外，大部分的時間和精力花費在MIMO模塊與OFDM組件的協(xié)同優(yōu)化，包括MIMO OFDM解碼、MIMO分解以及降低算法和架構(gòu)復(fù)雜度和降低功耗的最優(yōu)方法。

MIMO OFDM系統(tǒng)的組件

圖3顯示了用于無線局域網(wǎng)的MIMO OFDM系統(tǒng)如何輕易地用于實現(xiàn)像3G、WiBro、WiMAX、802.20或者4G之類的標(biāo)準(zhǔn)，以及哪些組件需要針對新的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。如圖所示，對于任何MIMO系統(tǒng)來說大部分的組件是相同的，這些組件可以輕易地使用，而需要改變的組件只限于系統(tǒng)的OFDM和編碼部分。

MIMO是一種顛覆性的技術(shù)，該技術(shù)有望極大地改變未來十年的無線電產(chǎn)業(yè)。該技術(shù)正在滲透到每一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括3G蜂窩網(wǎng)絡(luò)、WLAN、WiBro、WiMAX、802.20和4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)。很多公司試圖將自己定位于利用MIMO OFDM技術(shù)，以獲得相對于其他技術(shù)帶來的數(shù)據(jù)速率、覆蓋范圍、頻譜效率上的好處。

MIMO OFDM技術(shù)的先驅(qū)Airgo網(wǎng)絡(luò)公司通過發(fā)布三代集成到商業(yè)產(chǎn)品中的WLAN芯片組，證明了MIMO OFDM帶來的好處。在這些產(chǎn)品的開發(fā)過程中，Airgo開發(fā)了重要的專業(yè)技術(shù)、IP，并獲得創(chuàng)建基于MIMO OFDM技術(shù)的系統(tǒng)的經(jīng)驗。

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