提升4G高速联网品质 手机搭载MIMO天线势起

2014-10-20 13:26:02来源: 新电子
    面对行动数据传输量快速增长,电信业者与行动装置制造商已开始在4G通讯设备中,采纳多串流多重输入多重输出(MIMO)天线设计,以在不增加频宽的情况下,提高通讯系统的通道容量和频谱利用率,纾解网路流量壅塞问题。

多重输入多重输出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通讯技术能提供以下优点:首先,可以利用空间分集技术,使无线通讯系统对于杂讯、干扰、多路径影响的容忍限度大大增加;其次,可在不增加频宽的情况下,成倍提高通讯系统的通道容量和频谱利用率。  
空间多工技术就是在接收端和发射端使用多根天线,充分利用空间中多重传输路径的分量,在同一频带上使用多个资料通道(MIMO子通道)发射讯号,使通道容量随着天线数量的增加而线性增加。这种通道容量的增加不占用额外的频宽,也不消耗额外的发射功率,因此是增加通道和系统容量的一种非常有效的方法。

强化接收功率 MIMO天线扩展通道容量

相对于有线通讯系统而言,无线通讯系统对于数据传输的能力在目前仍然是相当有限。无线通讯系统的数据传输速率可藉由多种通讯技术来增进,其中一项技术,就是于发射端或接收端设计多根天线在天线阵列上。  

在一般情况下,发射端和接收端使用MIMO天线,相较于单输入单输出(Single-Input Single-Output, SISO)天线,可以增加平均接收功率,并进一步获得更多的通道容量(图1)。与SISO相比,MIMO可以将多种通道分切成个别的空间通道,然后对于通讯系统提供一个额外的空间维度,和产生一个空间自由度的增益。  


图1 2X2 MIMO系统
空间自由度是计算MIMO通道容量的重要因素,有很多理论指出空间自由度可以提高通道容量。其实,MIMO空间自由度的数目,是受发射天线Nt和接收天线Nr之最小数目Nm所限制;换句话说,MIMO空间自由度的最大数目也是Nm(表1)。  


对SIMO和MISO而言,Nm的数值都是1,意味着只能够支持单通道进行通讯,因此,SIMO和MISO不能产生空间多工。相较于SIMO与MISO,MIMO具有对称和非对称设计,能够支持更多个别空间的多重通道产生空间多工,并获取更高的通道容量。  

在MIMO通道上,这些额外的空间自由度可以被空间多工的多个资料数据流同时利用,因而达到容量增加的目的。在发射端和接收端皆使用多根天线的情境下,只要有足够的散射环境,就可以提供够高的通道容量。  

目前MIMO技术在无线通讯中已引起相当大的关注,现有的先进通讯系统中,在发射端和接收端多使用多根天线,以达成更高的频谱利用率,和链路连结可靠性。  

MIMO是一种用来描述多天线无线通讯系统的抽象数学模型,能在发射端的多个天线各自独立发送讯号,同时在接收端用多个天线接收并恢复原资讯。该技术最早是由马可尼(Guglielmo Marconi)于1908年提出,他利用多天线来抑制通道衰落(Fading)。由于MIMO可以在不须要增加频宽或总发送功率耗损(Transmit Power Expenditure)的情况下,大幅增加系统的通道容量及传送距离,使得此技术于近几年受到高度关注。  

MIMO的核心概念,为利用多根发射天线与多根接收天线所提供之空间自由度,来有效提升无线通讯系统之频谱效率,同时提升传输速率并改善通讯品质。MIMO能够确保在传输范围内讯号的稳固连接,还能保证其他设备所要求的各种讯号范围服务品质。  

消费者将受益于较大的讯号涵盖范围、传输量,还有较高的可靠性与低功耗等,同时它具备对网路上现有设备的相容性,对既有的网路没有任何影响。MIMO的主要应用有空间多样(Spatial Diversity)、空间多工(Spatial Multiplexing)以及波束成形(Beamforming)等,详述如下:  

空间多工

通讯系统工作在MIMO天线配置下,能够在不增加频宽,比SISO系统成倍地提升资讯传输速率,从而大幅提高频谱利用率。在发射端,高速率之数据流被分割为多个较低速率的子数据流,不同的子数据流在不同发射天线上,于相同频段上发射出去。  

如果发射端与接收端的天线阵列之间,构成的空间子通道具有足够相异性,即能够在时域和频域之外,额外提供空域的维度,使不同发射天线上传送的讯号之间能够相互区别,因此接收机能够区分出这些并行的子数据流,而不须付出额外的频率或者时间资源。空间多工技术在高讯杂比条件下能够提高通道容量。  

空间多样

利用发射或接收端的多根天线所提供之多重传输途径发送相同资料,以增强资料的传输品质。  

波束成形

藉由多根天线产生一个具有指向性的波束,将能量集中在欲传输的方向,增加讯号品质,并减少与其他讯号间的干扰。  

环境复杂度/天线设计 影响空间自由度
在2×2的应用情境下,长程演进计画(LTE)定义了二个码字(Codeword)的使用者资讯,分别代表不同的调变及通道编码方式,可支援的Codeword数目则取决于当时通道的容量(图2)。 


图2 多天线讯号流程图
传输层的数目表示独立的资料流数目,一个Codeword可对应到一个或多个资料流,而资料流的个数必定小于或等于实际天线的数目。将资料流映射到多根天线的步骤称为预编码(Precoding),预编码通常用一个转换矩阵来表示,而传输层映射(Layer Mapping)以及预编码的内容则和MIMO的应用有关。先进长程演进计画(LTE-Advanced)所定义的基地台天线数可为一、二、四或八根,而使用者端的天线数为一、二或四根。 

MIMO技术在理论上,是将可能的多路径通道分切几个非关联子通道,同时传送多重资料数据流经过通道,而获得高通道容量,因为它可以提供更多的空间自由度。MIMO通道容量主要是受路径的数量,与真实环境中各个子通道相关性影响,这两种因素,也影响空间所提供的自由度。 

一个非常复杂的环境,可以提供大量路径及小的子通道相关性,以获得较高的MIMO通道容量;反之,如果是非常简单的环境,则为相对的结果。空间自由度不仅取决于环境的复杂度,还包含发射端和接收端的天线的数目。换言之,要获取必要的MIMO通道容量,环境复杂度和适合的天线设计,须要同时研究思考。 

2×2MIMO设计朝向多通讯规格兼容

要如何在有限的面积下发挥最大的辐射效率,利用多天线在相同时间、相同频段,以达到空间多工,并在不增加通讯资源下,实现提升系统到理论上有效资料传输率的两倍,需要有以下的设计考量。 

天线辐射效率

为配合电子产品尺寸而缩小天线的面积,会造成天线辐射效率(Radiation Efficiency)变差,可能原因如下: 

.(1)电流互相抵销效应。

.(2)介质材质所造成的损耗。

.(3)电流大小受限于欧姆损耗。

.(4)阻抗匹配不良造成天线传输能量耗损。

以上四种效应都是会造成天线辐射效率不好的原因,尤其在多根传送天线的手持式产品上,更须要有效提升每根天线的辐射效率。 

天线隔离度

将多根天线放在面积受限的手持装置上,将面临的另一项挑战为天线隔离度(Antenna Isolation),除天线隔离距离变小外,共振尺寸亦将变大,尤其在低频段的操作底下,天线波长将大幅增加,使得多天线之间会有强烈的天线互耦效应。 

若天线隔离度不够好,发射端所发射的讯号将会被其他天线所吸收回来,因此造成天线传送的效率变差,同时影响到讯号的正确性。互耦效应还会导致讯号在空间中各个子通道的相关性无法降低,以至于降低通道的多样性。因此,如何提升收发天线的隔离度,就变成一个值得研究的课题。 

天线相关性

在高度散射环境下,MIMO的通道容量将随天线个数增加而提升通道容量。然而实际应用中,会因为工作频率或天线距离不足,造成天线相关性(Antenna Correlation)太高而影响通道容量。 

一般通讯系统仅考量通道相关性,而忽略天线讯号互相干扰的问题,因此天线性的相关性计算除了辐射场型外,尚须考虑天线元件间耦合等效性造成的影响。 

天线频宽

天线频宽(Antenna Bandwidth)是指它有效工作的频率范围,通常以其共振频率为中心。小型天线通常使用方便,但在频宽、尺寸和效率上有着不可避免的限制。 

为因应现有多媒体通讯的大频宽应用,与缩小化元件的需求,天线设计亦应着重于其能涵盖的频率范围,可调频带与频宽之匹配网路设计,可让天线运作在多种通讯规格中,是未来天线设计的新趋势。 

4G LTE服务兴起 MIMO天线技术看俏

随着行动装置的资料传输量与日俱增,对更高网路容量与更高性能的需求也持续成长。目前MIMO天线技术已开始萌芽,因应电信业者4G LTE服务开台,MIMO天线将会成重要元件。 

随着电子产品尺寸有轻薄化、缩小化之趋势,如何能将多天线系统成功实现于行动通讯装置中,使天线的设计也成为一项重大挑战。 

关键字:4G  高速联网  MIMO天线

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/1020/article_37740.html
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