透析信道效应对MIMO系统运作效能的影响

由于MIMO抗衰减特性表现佳，MIMO技术可望以较高的频谱效率提升数据传输率(data rate)。商用无线系统是在具明显多重路径(multipath)环境下运行，因此，MIMO天线系统正可因此现象，发挥系统最佳运作效益…

尽管MIMO技术的特性对商业化应用极具吸引力，但MIMO系统与传统技术相较，却相对复杂许多倍！在无线系统实作中，该MIMO技术会产生一些特殊测试与量测挑战，其中1项挑战在于无线信道与信道相关性效应(如路径损耗和多重路径衰减)。

在无线通讯系统中，无线信道是决定系统效能的关键因素，唯有确保每个无线通道具明显差异，才能在相同时间/频率空间内支持多个串流。因此，充分了解通道相关性效应，对于MIMO效能的最佳化至为重要，要达到最佳化，则必须在真实环境与信道下准确测试MIMO组件(例如接收器)和系统的方法。目前遇到的问题是受限于通道灵敏度、行动性需求…等因素，直接在「真实」无线环境中执行这类测试，是既无效、又不切实际的做法。为解决环境问题，则必须针对此严苛的测试环境设计专用量测设备，因应MIMO的通道效应问题。

MIMO通道相关性效应

审视MIMO运作方式及其发生作用的理由，才能更深入了解通道相关性效应所产生的新挑战。无线通讯系统中，MIMO多重天线系统会把各个天线放置在密集的多径散射(multipath scattering)环境，以利用无线通道的空间特性。MIMO系统会使用多个收发器，以便产生多个可在接收器内部恢复的独立信号路径。

MIMO中的「输入」和「输出」，是指存在于各个天线间的无线信道。当多个发射器同时将信号输入无线信道，而这些信号组合同时从无线信道输出到多个接收器时，便可达到效能增益。

图说：1.图中的彩色箭头描述SISO、SIMO、MISO和MIMO (2x2)系统信道配置。

图1是在无线系统中用来连接发射器与接收器的几种基本配置，包括单一输入单一输出(SISO)、单一输入多重输出(SIMO)、多重输入单一输出(MISO)和多重输入多重输出(MIMO)。图中的每个箭头代表2个天线间的多个信号路径(包括直接视线传输LOS路径)，及由周遭环境的反射、散射和绕射造成的多径信号。在2 x 2 MIMO配置中，每个发射器天线都有2个不同的发射通道，而每个接收器天线则有2个合并接收通道，还有许多其它MIMO配置，是使用多对天线组合，例如3 x 3和4 x 4。在配置MIMO系统时，甚至可在发射器与接收器使用不同数目天线。

实现MIMO系统，可对抗信号衰减或提高系统容量。一般而言，多重天线可分为空间分集、空间多任务和波束成形…等3种技术。

以空间分集技术　达到抗衰减目的

空间分集(Spatial Diversity)技术可藉由减少重新传输次数，达到提高功率效率目的，主要采用延迟分集(delay diversity)、空时区块码(Space-Time Block Codes；STBC)和空时格码(Space-Time Trellis Code；STTC)…等方法。

在多重路径明显的环境下，无线信道中的信号功率会随时间和距离快速地波动，当接收器的信号功率大幅下降时，通道就处于多径衰减状态，无线通道中通常会使用分集来对抗此衰减效应。天线分集对抗衰减的方法，是将来自于2个或更多个独立衰减的信道信号加以合并。以SIMO系统为例，当接收器将来自不同天线的信号合并，使该信号的振幅变化比任1个天线信号振幅来得小时，接收天线分集便能改善系统效能。分集特性在于独立衰减信道的数目，又称为分集阶数(diversity order)，即等于SIMO系统中的接收天线数目，但如果衰减通道并非独立，则天线分集可能无法改善系统效能。

从发射分集适用于MISO通道的角度观察，如果从每个发射天线到单1个接收天线的信道具有独立衰减特性，则分集阶数会等于发射天线数目。若发射器事先并不知道通道特性，则必须适当设计发射信号，以使接收器达到分集增益。空时编码(Space Time Coding；STC)是近来颇受瞩目的1种发射分集技术，它会在不同时间将相同使用者数据传送到2个发射天线，以提高成功恢复所需数据的机率，此技术亦可对空间和时间数据进行有效编码。

图2是使用Alamouti STC的1个简单的方块图。此系统中的2个天线会在任1个符号周期内，同时发射2个不同符号。

图说：2. Alamouti空时编码(STC)方块图，其中h0和h1代表通道系数，S0, S1…代表序列中的符号，( )* 则代表共轭复数运算。此系统中的2个天线会在任1个符号周期内，同时发射2个不同符号。

STC分集技术无法提升系统数据传输率，只能改善信号质量。图2中的序列不仅采空间与时间编码(空时编码)，也可进行空间域和频域编码。在此情况下，2个不同的天线并不会发射2个连续符号周期，而是会使用2个频率载波(空间-频率编