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提升4G高速聯網品質 手機搭載MIMO天線勢起

發表時間 :2019-01-09


     面對行動數據傳輸量快速增長,電信業者與行動裝置制造商已開始在4G通訊設備中,采納多串流多重輸入多重輸出天線設計,以在不增加頻寬的情況下,提高通訊系統的通道容量和頻譜利用率,紓解網路流量壅塞問題。

     多重輸入多重輸出(Multi-Input Multi-Output, MIMO)通訊技術能提供以下優點:首先,可以利用空間分集技術,使無線通訊系統對于雜訊、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,成倍提高通訊系統的通道容量和頻譜利用率。

     空間多工技術就是在接收端和發射端使用多根天線,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資料通道(MIMO子通道)發射訊號,使通道容量隨著天線數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,也不消耗額外的發射功率,因此是增加通道和系統容量的一種非常有效的方法。

     強化接收功率MIMO天線擴展通道容量

     相對于有線通訊系統而言,無線通訊系統對于數據傳輸的能力在目前仍然是相當有限。無線通訊系統的數據傳輸速率可藉由多種通訊技術來增進,其中一項技術,就是于發射端或接收端設計多根天線在天線陣列上。

     在一般情況下,發射端和接收端使用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,并進一步獲得更多的通道容量(1)。與SISO相比,MIMO可以將多種通道分切成個別的空間通道,然后對于通訊系統提供一個額外的空間維度,和產生一個空間自由度的增益。

     圖12X2 MIMO系統空間自由度是計算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,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,MIMO空間自由度的數目,是受發射天線Nt和接收天線Nr之最小數目Nm所限制;換句話說,MIMO空間自由度的最大數目也是Nm(1)

     對SIMOMISO而言,Nm的數值都是1,意味著只能夠支持單通道進行通訊,因此,SIMOMISO不能產生空間多工。相較于SIMOMISO,MIMO具有對稱和非對稱設計,能夠支持更多個別空間的多重通道產生空間多工,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資料數據流同時利用,因而達到容量增加的目的。在發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境,就可以提供夠高的通道容量。

     目前MIMO技術在無線通訊中已引起相當大的關注,現有的先進通訊系統中,在發射端和接收端多使用多根天線,以達成更高的頻譜利用率,和鏈路連結可靠性。

     MIMO是一種用來描述多天線無線通訊系統的抽象數學模型,能在發射端的多個天線各自獨立發送訊號,同時在接收端用多個天線接收并恢復原資訊。該技術最早是由馬可尼(Guglielmo Marconi)1908年提出,他利用多天線來抑制通道衰落(Fading)。由于MIMO可以在不須要增加頻寬或總發送功率耗損(Transmit Power Expenditure)的情況下,大幅增加系統的通道容量及傳送距離,使得此技術于近幾年受到高度關注。

    MIMO的核心概念,為利用多根發射天線與多根接收天線所提供之空間自由度,來有效提升無線通訊系統之頻譜效率,同時提升傳輸速率并改善通訊品質。MIMO能夠確保在傳輸范圍內訊號的穩固連接,還能保證其他設備所要求的各種訊號范圍服務品質。

     消費者將受益于較大的訊號涵蓋范圍、傳輸量,還有較高的可靠性與低功耗等,同時它具備對網路上現有設備的相容性,對既有的網路沒有任何影響。MIMO的主要應用有空間多樣(Spatial Diversity)、空間多工(Spatial Multiplexing)以及波束成形(Beamforming)等,詳述如下:

     空間多工

     通訊系統工作在MIMO天線配置下,能夠在不增加頻寬,比SISO系統成倍地提升資訊傳輸速率,從而大幅提高頻譜利用率。在發射端,高速率之數據流被分割為多個較低速率的子數據流,不同的子數據流在不同發射天線上,于相同頻段上發射出去。

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

     空間多樣

     利用發射或接收端的多根天線所提供之多重傳輸途徑發送相同資料,以增強資料的傳輸品質。

     波束成形

     藉由多根天線產生一個具有指向性的波束,將能量集中在欲傳輸的方向,增加訊號品質,并減少與其他訊號間的干擾。

     環境復雜度/天線設計 影響空間自由度

     在2×2的應用情境下,長程演進計畫(LTE)定義了二個碼字(Codeword)的使用者資訊,分別代表不同的調變及通道編碼方式,可支援的Codeword數目則取決于當時通道的容量(2)。

     圖2 多天線訊號流程圖

     傳輸層的數目表示獨立的資料流數目,一個Codeword可對應到一個或多個資料流,而資料流的個數必定小于或等于實際天線的數目。將資料流映射到多根天線的步驟稱為預編碼(Precoding),預編碼通常用一個轉換矩陣來表示,而傳輸層映射(LayerMapping)以及預編碼的內容則和MIMO的應用有關。先進長程演進計畫(LTE-Advanced)所定義的基地臺天線數可為一、二、四或八根,而使用者端的天線數為一、二或四根。

     技術在理論上,是將可能的多路徑通道分切幾個非關聯子通道,同時傳送多重資料數據流經過通道,而獲得高通道容量,因為它可以提供更多的空間自由度。MIMO通道容量主要是受路徑的數量,與真實環境中各個子通道相關性影響,這兩種因素,也影響空間所提供的自由度。

     一個非常復雜的環境,可以提供大量路徑及小的子通道相關性,以獲得較高的MIMO通道容量;反之,如果是非常簡單的環境,則為相對的結果??臻g自由度不僅取決于環境的復雜度,還包含發射端和接收端的天線的數目。換言之,要獲取必要的MIMO通道容量,環境復雜度和適合的天線設計,須要同時研究思考。

    2×2MIMO設計朝向多通訊規格兼容

     要如何在有限的面積下發揮最大的輻射效率,利用多天線在相同時間、相同頻段,以達到空間多工,并在不增加通訊資源下,實現提升系統到理論上有效資料傳輸率的兩倍,需要有以下的設計考量。

     天線輻射效率

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

    .(1)電流互相抵銷效應。

    (2)介質材質所造成的損耗。

    .(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。

     以上四種效應都是會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,將面臨的另一項挑戰為天線隔離度(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,天線波長將大幅增加,使得多天線之間會有強烈的天線互耦效應。

     若天線隔離度不夠好,發射端所發射的訊號將會被其他天線所吸收回來,因此造成天線傳送的效率變差,同時影響到訊號的正確性?;ヱ钚€會導致訊號在空間中各個子通道的相關性無法降低,以至于降低通道的多樣性。因此,如何提升收發天線的隔離度,就變成一個值得研究的課題。

     天線相關性

     在高度散射環境下,MIMO的通道容量將隨天線個數增加而提升通道容量。然而實際應用中,會因為工作頻率或天線距離不足,造成天線相關性(Antenna Correlation)太高而影響通道容量。

     一般通訊系統僅考量通道相關性,而忽略天線訊號互相干擾的問題,因此天線性的相關性計算除了輻射場型外,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。

     為因應現有多媒體通訊的大頻寬應用,與縮小化元件的需求,天線設計亦應著重于其能涵蓋的頻率范圍,可調頻帶與頻寬之匹配網路設計,可讓天線運作在多種通訊規格中,是未來天線設計的新趨勢。

     4G LTE服務興起 MIMO天線技術看俏隨著行動裝置的資料傳輸量與日俱增,對更高網路容量與更高性能的需求也持續成長。目前MIMO天線技術已開始萌芽,因應電信業者4G LTE服務開臺,MIMO天線將會成重要元件。

     隨著電子產品尺寸有輕薄化、縮小化之趨勢,如何能將多天線系統成功實現于行動通訊裝置中,使天線的設計也成為一項重大挑戰。

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