提升4G高速联网品质 手机搭载MIMO天线势起

发表时间 : 2019-01-09


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 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 ( 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 。

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 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(1)

SIMOMISO 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 MISO 不能产生空间多工 。相较于 SIMOMISOMIMO 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 。

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) 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

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 ( 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 (LayerMapping) 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 。

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 。

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