提升4G高速联网品质 手机搭载MIMO天线势起

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。