MIMO-OFDM技术和WLAN性能的关系分析

MIMO-OFDM技术和WLAN性能的关系分析

任何一种无线连接的质量和有用性都可以通过三个基本参数进行完全描述，分别是：速度、范围以及可靠性。MIMO-OFDM出现之前，上述3个参数依据严格的规则相互制约：速度的增加只有靠牺牲范围和可靠性才可实现；范围的扩展以牺牲速度和可靠性为代价；而提高可靠性必须降低速度和传输范围。MIMO-OFDM的出现颠覆了这种制约，因为它能同时提升上述3个参数的性能。MIMO最终将使包括移动电话在内的所有主要无线产业受益，但眼下，WLAN引领了利用MIMO创新的潮流。

什么是MIMO？

多径传播是所有无线通信环境的一大特征。

通常情况下，从A点的发射器到B点的接收器之间有一条主要(最直接)通道。但不可避免的是，一些发射信号会通过其它路径(从环境中的物体、大地以及大气层反射等)到达接收器。

图1：多径传播如何影响无线信号。

经非直接通道传输的信号到达接收器的时间会略晚于正常信号，而且通常会衰减。处理衰减的多径信号的一般做法是简单的忽略。但是，当多径信号太强以至于无法忽略时，会导致基于现有标准WLAN设备的性能下降。

无线信号可借助正弦波进行描述，如图1.a所示，纵轴表示振幅，横轴表示时间。当多径信号比主信号稍晚到达接收器时，其峰值和谷值与主信号的峰谷值不会完全同相，接收器接收到的混合信号多少会出现失真，见图1.b。如果多径信号的时延导致其波峰与主信号的波谷在同一刻出现，那么多径信号将部分或完全抵消主信号，见图1.c。传统无线系统要么不对多径干扰采取任何防范措施，仅依靠主信号自身来抑制多径信号；要么利用多径缓解技术。一种缓解技术是使用多个天线以便能够在任一时刻及时捕捉最强信号；另一种技术则给接收信号增加了不同的时延，迫使各波峰和波谷同相。

无论何种缓解技术，它们都假定多径信号是无用甚至有害的，并竭尽全力制止这种危害。

与之相反，MIMO却借助多径传播的特点提高吞吐量、传输距离/覆盖范围以及可靠性。MIMO非但没有想方设法消除多径信号，而是让多径信号携带更多的信息。MIMO技术通过在相同无线信道内同时发射并接收多个数据信号实现了上述目的。多波形技术的使用构成了一种新的无线通信模式――利用多维信号进行通信，该模式是目前为止唯一已知的能同时提高三个基本连接性能参数(范围、速度和可靠性)的方法。

因为MIMO通过通信信道传输多信号(而不是传统系统中的单信号)，所以MIMO拥有成倍的信息载荷能力(这是速度的另一种表达方式)。无线能力的一个通用测度标准是频谱效率，即单位时间内单位带宽所传送的信息量，通常以每赫兹每秒位或b/s/Hz表示。

使用传统无线技术，工程师想方设法才能渐进地提升频谱效率(例如，每次增加一个b/s/Hz)。通过在同一个频道内传输包含不同信息流的多个信号，MIMO提供了一种能够成倍或三倍提升频谱效率的方法。

MIMO还能被看作是一种多维无线通信系统。传统无线系统试图在一维管道内压缩尽可能多的信息。为此，工程师必须使其设计适应一维信道的噪声及其它限制。MIMO赋予了工程师在多维空间工作的条件，为消弭一维信道的限制提供了机会。

更高的频谱效率转换成为更高的数据速率、更宽的覆盖范围、更多的用户、更强的可靠性或上述指标的任意组合。通过增加频谱效率，MIMO为多种新应用敞开了大门，同时还节省了现有应用的实施成本。

MIMO与智能天线的区别

乍看起来，MIMO与智能天线系统非常相似：两个系统都采用多个天线，天线的布置在可实施前提下尽可能远离。但只要深入研究，你就会发现MIMO和智能天线系统在本质上存在差别。

智能天线增强了传统的一维无线系统。大多数通用智能天线系统采用波束成形技术(又称波束切换)将信号能量聚集于主路径，而后利用接收合成技术(又叫分集)捕捉在任一给定时间内的最强信号。注意：波束成形和接收合成仅仅是多径缓解技术，并不能将无线信道的数据吞吐量加倍(见图2)。

但这并不意味着波束成形和接收合成技术毫无用处。在点对点应用中(例如，户外无线回传应用)，两者均被证明能够成倍提高系统性能。但是，波束成形和接收合成技术只能称的上是对传统无线系统性能的提升极有价值，而MIMO是一次可资标榜的转变，它戏剧性地改变了人们对多径传播的接收度和反应。接收合成和波束成形只能一次将频谱效率增加一或两个b/s/Hz，而MIMO则能够使b/s/Hz成倍增加。

为什么采用MIMO-OFDM？

MIMO能与任何调制或接入技术共同使用。今天，大多数数字无线系统选用时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)或正交频分复用(OFDM)技术。

时分系统在窄频信道上传输数据，采用时槽(time slot)来分隔不同用户或用途的数据。码分系统在宽频(扩频)信道上传输数据，采用代码来分隔不同用户和用途的数据。OFDM也是一个宽频系统，但与在整个信道连续扩展信号的CDMA不同，OFDM采用多个分离的低数据速率子信道.

MIMO可以与任何调制和接入技术一同使用。研究显示，执行过程非常简单，特别是对用于高数据速率的MIMO-OFDM而言更是如此。值得一提的是，MIMO-OFDM信号能用相对直接的矩阵代数进行处理。

MIMO-OFDM如何使基于现有标准的产品受益

集成准标准MIMO增强型Wi-Fi的产品从外观上看与带有智能天线的产品极为相似，这一事实也暗示了另一个优势。准标准MIMO产品装配有天线和其它必须电路，当基于现有标准模式进行操作时，可以提供智能天线功能。

事实上，即便仅在连接的一端采用这种智能天线功能，也能提升系统性能。因此，准标准MIMO产品不仅能够与现有Wi-Fi标准完全兼容，还能够增强这些标准的表现性能。

这从另一个方面也证明，准标准MIMO的增强效果可以被用来补充而不是阻碍现有标准。所以，一些用户或许会购买准标准MIMO增强型Wi-Fi产品以期利用MIMO-OFDM的出众性能，而另一些用户却可能会发现，仅将这些设备添加到基于标准的网络中就能帮助他们解决问题。