由于多重輸入多重輸出(multiple-input, multiple-output；MIMO)的技術提供了一個擴展無線區域網絡(WLAN)范圍的極佳方式，因而最近成為了焦點。MIMO技術始于1985年，但直到現在才應用于晶片層級的裝置，以大幅改善傳輸范圍與容量。
　　由于MIMO并不是單一概念，而是由多種無線射頻技術所組成，因此我們必須充份了解MIMO的運作和效能。當應用于WLAN時，有些MIMO技術能與現時的WLAN標準(如802.11a、802.11b與802.11g)相容，因而能擴充其傳輸范圍；相反，有些MIMO技術則只能用于與一般WLAN標準不相容的MIMO裝置。

　　“MIMO”一詞泛指任何在傳送器部分具有多重輸入，與在接收器部分具多重輸出的系統，(圖1)闡述了其基本概念。根據MIMO改良者Jack Salz在1965年觀察發現，雖然MIMO系統可能包含有線連結的裝置，但整個系統通常是無線系統，例如多重天線系統、3G行動電話系統(無線系統)中所使用的Code Division Multiple Access(CDMA)系統，甚至是使用多條電話線產生串音(crosstalk)的DSL系統(有線系統)。

　　本文將先介紹MIMO的歷史背景和運作，并討論MIMO能將WLAN傳輸范圍擴充的程度。

　　MIMO 20年的開發進程

　　MIMO在無線通訊的起源可追溯至1984年，當時任職于Bell Laboratories的Jack Winters有了突破性的開發進展。這位MIMO的先驅道出了利用傳送器與接收器的多重天線，把多個使用者所傳來的資料以相同的頻率/時間通道傳輸。

　　在1985年，Bell Laboratories的Jack Salz發表了一篇關于MIMO在有線通訊應用的研究報告，之后便有多位學者與相關研究人員投入MIMO的領域并發表研究報告。值得注意的是，Jack Winters將Salz于1985的報告加以擴充，應用至無線通訊領域，證明使用者可以透過傳輸器與接收器的多重天線來同時無線傳輸多個資料流。

　　為了滿足強烈的市場需求，現今許多WLAN、Wi-Max與行動通訊公司均已提供(或計劃提供)以MIMO技術為基礎的解決方案。MIMO具有多項功能，如傳輸波束成形(Transmit Beamforming)/最高比結合(Maximal Ratio Combining；MRC)、空間多工(spatial multiplexing)與時空編碼(space-time coding)。

　　無線市場的領導廠商如Intel、Cisco、Qualcomm、Samsung、Mitsubishi、Panasonic、Philips、Toshiba、Sony與Atheros共同合作，開發出多項可相互運作且可擴充的WLAN MIMO技術。這些領導廠商將共同努力為消費者帶來廣為接受的標準解決方案。

　　MIMO技術優勢

　　為何MIMO如此具有吸引力？透過增加傳輸器與接收器的天線數量，MIMO可以提升資料傳輸率，并提供更大的覆蓋率與傳輸范圍。可是，MIMO并不是那種一體適用(one-size-fits-all)的技術。MIMO能增加資料傳輸率，但也要視乎設計工程師會否應用。如何選擇合適的MIMO工具，則要視操作環境與所采用的系統種類而定。

　　在過去20年來，許多MIMO的技術與應用均相當成功，其中包含：

　　·傳輸波束成形/最高比結合(Transmit beamforming/maximal ratio combining)

　　·空間多工(Spatial multiplexing)

　　·時空編碼(Space-time coding)

　　■傳輸效能加倍

　　傳輸波束成形(圖2)是一種傳輸器的技術，在傳輸器與接收器之間，以功率最強的路徑來傳輸資料(vanVeen88, Spencer04)。透過精密的運算法，傳輸器可以驅動多個天線，因而能把大部分的射頻功率集中傳輸至接收器。因此，整個裝置能達到最高的傳輸效能。

　　在執行傳輸波束成形時，需要使用兩個或更多的功率放大器與天線，以相位移運算法(phase-shifting algorithm)控制，集中把射頻功率傳輸至接收器。透過這種方式，有效傳輸功率(effective transmit power)的提升幅度是傳輸天線數的平方，例如若有兩個傳輸射頻，其有效傳輸效率將變成四倍。

　　要達到上述的效率成長，主要有兩個因素：功率提升與陣列提升。功率提升在于多重的傳輸天線在空氣中傳輸資料，由于天線數量增加，整體的功率也隨之提升。而陣列提升是因為所傳輸的功率集中于同一個方向，因此能減少浪費在其它方向的功率。如果使用兩個天線來進行傳輸，傳輸至接收器的整體功率就增加1倍。因此，當結合這兩項因素時，有效傳輸功率便能凈增4倍。

　　傳輸波束的方向集中過程可以依據傳輸通道的頻率特性來調整。如(圖3)所示，如果傳輸波束成形系統從接收裝置收到至少一個封包，系統便能掌握通道反應(不論是在傳送或接收端，也可以應用同樣的通道反應)，以調整所傳送訊號的相位，以便接收器天線收到訊號之后，能依據各組頻率將資料做有意義的整合。這種方法可以降低多重路徑的影響，甚至在傳輸資料到非MIMO裝置時也有同樣效果。

　　MIMO傳輸器能大幅擴大傳輸范圍，讓更遠的接收器也能收到高頻寬的訊號。因此，對面積大的居家或辦公室環境，MIMO能提供更佳的覆蓋率。MIMO的傳輸器讓使用者能在訊號范圍極限之內仍可接收訊號，令WLAN的設定變得更加容易。

　　■接收效能加倍

　　最高比結合(MRC)是一項接收器技術，能將來自不同天線的訊號一致地整合(見圖4)。MRC能改善接收訊號的訊號雜訊比(signal-to-noise ratio；SNR)，而改善的程度則與所使用天線的數量成正比。多重接收器不僅增加的接受功率，同時也透過個別整合每個頻率元件的接受訊號，降低多重通道的影響。這過程稱為“副載波最高比結合”(subcarrier-based maximal ratio combining)，可大幅提升整體增益，特別是在多重路徑的環境中。如先前(圖3)所示，在多重路徑環境中，訊號經過多個物體產生反射，造成兩個天線會接收到不同特征的訊號，或是其中一個天線對某些頻率的訊號接收不清楚。

　　MRC將天線所接收的各頻率訊號整合起來，進而增加訊號的功率。若訊號的強度相若，接受器便會選擇性地結合其訊號強度，故此即使只使用兩個天線，還能把頻率功率增加一倍。

　　Receive Combining不能跟天線分集(antenna diversity)混為一談。天線分集不會依據不同的頻率中不同訊號的強度或從使用兩個天線增強了的訊號強度而選擇訊號元件。采用天線分集的接收器只會選擇提供最佳效能的天線，而第二個天線則置之不用。雖然比起沒有任何天線分集而言，此技術的確有其優點，但依然無法降低多重通道的干擾或提升訊號品質。

　　值得注意的是，即使傳輸器沒有采用MIMO技術，依然能享有接收器中MCR功能所帶來的好處。在現有的裝置中，如熱點的存取點、家庭網絡閘道、桌上型與筆記型電腦等，其傳輸器都與這種MIMO技術完全相容。這技術也可以應用在2.4 and 5GHz頻譜上，改善所有802.11a與802.11g標準裝置的效能。與其它技術不同的是，即使只是在無線連結的一端采用receive combining技術，亦能提升整體效能。

　　■增加傳輸和接收的效能

　　當結合傳輸波束成形與MRC和使用多重傳輸與接收的天線時，便能成為一個MIMO系統(見圖5)。傳輸波束成形/MRC可大幅改善系統效能。更重要的是，這樣的結合能與所有終端裝置完全整合，確保使用這些技術的系統(如無線區域網絡)的相互運作性與可靠性。由于使用在802.11的MIMO應用還沒有標準化，目前能提供可靠與穩定效能的pre-standard解決方案，只有那些使用傳輸波束成形/MRC技術的解決方案，如Atheros與其OEM客戶目前所提供的VLocity MIMO解決方案。

　　目前業界已開發出一種獨立技術，名為空間多工(spatial multiplexing)(見圖6)，在傳輸器與接收器之間傳輸兩個或更多的獨立資料流，進而增加資料傳輸率。這項技術自1987年開發。由于此技術使用并流的多重獨立資料流，而傳統系統的設計只能接受單一資料流，因此傳統系統出現了無法將訊號解碼的問題。

　　要使用空間多工，必須有已知的引導(preamble)或訓練序列(training sequence)，讓接收器可以學習如何分隔重疊的資料流。此外，大多數系統會將接受器的回應整合至傳輸器，做為選擇適當操作模式的參考。這就是為何使用空間多工的WLAN pre-standard解決方案可能無法與預計于2006年初推出的802.11n標準相容。我們在下一段將進一步說明。此外，根據研究指出【MobPipe04】，當這些裝置要以與標準相容的非MIMO模式進行溝通時，將無法相互運作。即使沒有這些問題，現行采用802.11a/b/11g標準的WLAN系統，其設計是針對非空間多工標準，因此使用空間多工并無法提升效能。

　　時空編碼(space-time coding)則是在傳輸器不知情的情況下，運用傳輸與接收器之間不同路徑的技術。若傳輸器與接收器的設計加以配合，時空編碼是個較容易執行的機制。此外，時空編碼也是3G行動電話系統所使用的技術。但由于此技術不需要了解訊號路徑，因此其資料傳輸率比傳輸波束成形/MRC以及空間分工還低。時空編碼通常需要多個傳輸天線，而接收天線則是一個或多個皆可。

　　在過去20年來，這些MIMO的衍生技術，不論是個別或整合運用，已大幅改善無線及有線系統的效能。例如行動電話業者便積極推動時空編碼，而雷達解決方案與固定無線系統則廣泛使用傳輸波束成形。

　　802.11n將為未來WLAN定義MIMO

　　隨著WLAN在全球廣泛運用，消費者與企業越來越依賴此網絡的運作，進行重要的商業活動或是處理敏感的個人事務。因此，任何新型的WLAN技術，都必須遵守經業界認同且支援的標準。透過這些標準，消費者可以避免現時的WLAN設備與新一代產品無法相互操作。

　　因此，所有WLAN業者正協調以制訂出在WLAN應用的MIMO標準。此套標準名為802.11n，預定在2006年才會出爐，并在2007年才會確認。跟其它類似的標準一樣，如果在最后確定標準之前，便提供pre-standard的產品，可能會與最后建議的標準不相容，導致顧客在財務或產品相互操作上有短期或長期的嚴重損失。

　　在合作制訂802.11n標準草案的兩個組織中，TGn Sync聯盟不僅成員數目最多(包含Atheros)，而且廠商的種類也較廣。其成員均是無線市場的主要廠商，包含消費電子產品/個人電腦、行動通訊、半導體、商業與研究界等。

　　由于成員組成多元化，所提供的意見便能較為均衡，可滿足無線市場的不同需求。TGn Sync聯盟成員正共同努力，以確認802.11n標準中最合適的方式。由于獲得廣泛的支持，從種種跡象顯示，TGn Sync所提出的802.11n標準建議案將獲得802.11標準委員會所采用(在2005年1月的IEEE會議中，超過一半以上的委員投票支持TGn Sync的提議案)。

　　Atheros的MIMO技術-VLocity

　　MIMO技術的其中一個例子是Atheros的VLocity技術。VLocity采用所有上述的MIMO技術，且與現有的802.11標準完全相容。如上文所述，這些MIMO技術可以將效能提升數倍，即使只使用一個VLocity裝置來與非MIMO的802.11a/b/g裝置來溝通也能提升效能。

　　倘若在無線連結的兩端使用VLocity裝置，效能的提升便更為顯著。在兩個不同環境進行測量效能的提升幅度：一個是開放空間的環境(測量兩個裝置之間視線范圍的效能)，而另一個則具有多重路徑干擾特征的環境，如一般的家庭或辦公室等。表2顯示VLocity測試結果。結果顯示，若以dB來計算網絡效能改善服務，比起非VLocity裝置，VLocity技術的效能較佳。多3dB就等于有效功率多了一倍，如100-mW的傳輸器則會有200mW的訊號功率。

　　在追求效能提升與回溯相容的同時，使用者須要小心選擇MIMO產品，以確保這些產品能提供預期的結果。目前市面上與現有標準完全相容的MIMO產品，如Atheros的VLocity解決方案，可以大幅改善WLAN的資料傳輸率與傳輸范圍。(本文由Atheros Communications公司提供，作者William McFarland/現為該公司首席技術官)

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