MIMO-OFDM

    通訊技術的進步飛速，高速且可靠的研究成為近來技術研究的主流。其中，MIMO為使用多天線於傳送和接收端的可靠通訊技術，能為上述需求提供了可能的解答。

    MIMO能與任何調變或接取技術共同使用。大多數數位無線系統選用時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)或正交頻分多工(OFDM)技術。許多研究研究顯示，其共同執行過程非常簡單，特別是對用於高數據速率的MIMO─OFDM而言更是如此。值得一提的是，MIMO─OFDM訊號能用相對直接的矩陣代數進行處理。

1.MIMO簡介

    MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)系統核心概念為多根發送天線多輸出與多根接收天線多接收技術提供空間自由度來有效提升無線系統之頻譜效率，如圖1所示。其借助多徑傳播的特點提高吞吐量、傳輸距離/覆蓋範圍以及可靠性，且讓多徑訊號攜帶更多的資訊。在通過相同無線訊息通道內同時發射並接收多個數據訊號實現了上述目的。多波形技術的使用構成了一種新的無線通訊模式──利用多維訊號進行通訊，該模式是目前為止唯一已知的能同時提高三個基本連接性能參數(範圍、速度和可靠性)的方法。由於MIMO可以在不需要增加頻寬或總發送功率損耗的情況下大幅的增加系統的資料傳輸量和傳送距離，該方法如果應用得當可以大大提高效能。

                    圖1 MIMO物理示意圖

   MIMO系統利用來自一個訊息通道的多個輸入和多個輸出，其系統是用空間多功和空間分集定義。

空間多工

   透過一個以上的天線發送多組數據串流稱為空間多工。有兩種類型必須考慮。第一種類型為V-BLAST(Vertical Bell實驗室分層空間-時間)，它發送空間未編碼的數據串流，不需要考慮在接收器上對訊號進行均衡處理。

   第二種類型是透過空間-時間編碼實現的。與V-BLAST相較，空間時間編碼提供正交編碼方式，因此是獨立的數據串流。V-BLAST方法不能分離數據串流，因此會出現多個數據串流的干擾(MSI)。這會使傳輸變得不穩定，而前向糾錯編碼並非總是能解決這個問題。空間-時間編碼訊號的檢測基於一種簡單的線性處理，並獲得合理的結果。空間多工的優勢是，容量的增加與發送天線的數量線性相關。

空間分集

  空間多工可提供更高容量，但訊號品質並無改善，不僅沒有提高訊號品質，反而使訊號品質降低了。空間分集能改善訊號品質，並在接收端達到更高的訊息噪音比。特別是在廣大的網路區域，空間多工技術達到了自身的極限。網路環境越大，訊號強度就必須越高。

  分集原理依賴於結構化冗餘的傳輸。這種冗餘可以在任何時間，從任何天線、透過任何頻率，或以任何極化方式傳輸。而目前在MIMO技術中並沒有考慮後一種方法。因此必須考慮兩種空間分集：1. Tx分集，一個訊號的副本從另外一個天線發送(例如2x1)；2. Rx分集，接收到的訊號進行多次評估(例如2x1)。第一種可以與單聲道和立體聲訊號相較。如果是立體聲訊號，人耳可以感受到更好的聲音效果。第二種分集類似於兩隻耳朵，所聽到的效果比單隻耳朵更好。

MIMO與智慧天線的區別  

    MIMO與智慧天線系看起來非常相似：兩個系統都採用多個天線，天線的佈置在可實施前提下盡可能遠離。但只要詳細研究，就會發現MIMO和智慧天線系統在本質上存在差別。智慧天線增強了傳統的一維無線系統。大多數通用智慧天線系統採用波束成形技術(又稱波束切換)將訊號能量聚集於主路徑，而後利用接收合成技術(又叫分集)捕捉在任一特定時間內的最強訊號。但波束成形和接收合成僅僅是多徑解緩技術，並不能將無線訊息通道的數據吞吐量加倍。這並不意味著波束成形和接收合成技術毫無用處。在點對點應用中(例如，戶外無線回傳應用)，兩者均被證明能夠成倍提高系統性能。但是，波束成形和接收合成技術只能稱的上是對傳統無線系統性能的提升極有價值，而MIMO是一次可資標榜的轉變，它戲劇性地改變了人們對多徑傳播的接收度和反應。

2.OFDM

    正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技術的基本原理在於將原本較高傳輸速度的資料流分成數個較低傳輸速度的資料流並且用數個次載波(sub-carrier)傳送，也就是將原本可用的頻寬分成好幾個次載波傳送較低傳輸速度的資料流如圖2，圖3所示，因此正交分頻多工技術可看成多載波傳輸的一個特例。

          圖2 正交分頻多工技術示意圖                                                                                                           圖3 次載波頻率與時間示意圖

   OFDM系統如圖4所示，其主要功能可以克服頻率選擇效應，所以採用反傅立葉轉換(Inverse Fast Fourier Transform, IFFT)和傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)將傳輸的信號做頻域和時域的轉換。接收機對每個子載波做正確的解調之前，至少有幾個同步的任務必須完成。首先，必須找到符元(symbol)的正確邊界處，使得FFT運算能夠抓到正確的符元區間，以減少符元間干擾效應(Inter-Symbol Interference, ISI) 和子載波間(Inter-Carrier Interference, ICI)的干擾。第二，必須估計和矯正載波頻率的偏差(Carrier Frequency Offset, CFO)，因為任何頻率的偏差都會引起子載波間的的干擾。第三，對於一個同調的接收機而言，除了頻率必須同步外，相位亦須達到同步，因此必須去矯正因振盪器不完美而引起的相位雜訊，而使得位元錯誤率大幅增加。這方式可視為一種調變和多工技術，當其從正交分頻多工技術之輸入與輸出訊號來看,輸出訊號是把輸入訊號經過正交分頻多工技術將訊號調變至所需的頻帶，故可以看成是調變技術。如果從正交分頻多工技術傳送訊號來看，此傳送訊號為各個次載波訊號的線性加成，實屬多工技術。

                圖4 正交分頻多工技術傳送接收方塊圖

    正交分頻多工技術漸漸被利用在寬頻資料通訊方面，其例子不勝枚舉，像是在固定線路的網路上就有三種，分別為為高位元傳輸速率式數位電信用戶線(HDSL)、超高速式數位電信用戶線(VDSL)以及目前被廣泛使用的非對稱式數位電信用戶線(ADSL)。目前常見的應用還有數位音頻訊號廣播(DAB)、數位視頻訊號廣播(DVB)、高清晰度電視（HDTV）陸地廣播、IEEE 802.16 廣頻無線存取系統和行動射頻FM 通道，在無線區域網路(Wireless LAN)上目前也有三種標準採納正交分頻多工技術，有歐規的HIPERLAN 2 以及美規的IEEE 802.11a 和IEEE 802.11g。目前正交分頻多工技術已經被採納為歐洲新的數位視頻訊號廣播標準和高清晰度電視標準，在802.15.3a 中，正交分頻多工技術超寬頻系統也被應用在此標準中，正交分頻多工技術與多載波分碼進接多重接取技術(MC-CDMA)。

              表1：OFDM優缺點比較

3.相關產品

  3-1無線基地台 久森PCI BLW-HPMM-U

●4 Ports交換集線器功能                                             ●遠端管理功能(Internet)

●USB2.0分享功能(可支援印表機、外接式硬碟等)                ●支援WDS功能(中繼模式、橋接模式)

●Multi PPPoE功能(可設定2組ISP資訊)                           ●DDNS動態DNS功能

●靜態路由功能                                                         ●DoS阻斷服務防禦功能

●QoS功能(可針對各組LAN或針對WAN作Rating Policy)     ●虛擬伺服器功能

●無線網路支援MAC Address管理功能                            ●支援WEP、TKIP、AES、RADIUS等加密格式

●FTP、SAMBA、BT等多種Stand-alone服務功能

●無線網路支援多組安全認證模式，包括常見的WPA、WPA-PSK、WPA2、WPA2PSK、WPA/WPA2、WPAPSK/WPA2PSK等

3-2無線網卡 久森CQW-NS108G MIMO高速網卡

                                                                                                                                                         相關規格

3-3無線路由器 久森True MIMO BRC-W108G高速無線寬頻路由器

                                                                                                                                                           相關規格

4.結論

MIMO技術最大的特色，就是可以透過多隻天線同時進行訊號收發，仔細探討MIMO技術，當網路資料透過切割之後，經過多重天線進行同步傳送，無線訊號在傳送的過程中，為了避免干擾，會走不同的反射或穿透路徑(多重路徑)，因此到達接收端的時間會不一致。為了避免資料不一致而無法重新組合，因此接收端會同時具備多重天線來接收，然後利用DSP重新計算的方式，根據時間差的因素，將分開的資料重新作組合，然後傳送出正確且快速的資料流。由於傳送的資料經過分割傳送，不僅單一資料流量降低，可拉高傳送距離，又增加天線接收範圍，因此MIMO技術不僅可以增加既有無線網路頻譜的資料傳輸速度，而且又不用額外佔用頻譜範圍，更重要的是，還能增加訊號接收距離，也意味著MIMO可以增加無線網路基地台的涵蓋範圍。MIMO技術與OFDM(正交頻分多工)技術一起使用時，可以充分利用無線通道的功能，即透過空間分集和多徑，可以高頻譜效率實現高級的3G寬頻無線通訊。

5.參考資料

[1] 維基百科MIMO http://zh.wikipedia.org/wiki/MIMO

[2] MIMO OFDM for Wireless LANS http://alexandria.tue.nl/extra2/200411059.pdf

[3] 電子工程專輯，"深入剖析MIMO系統" http://www.eettaiwan.com/ART_8800437322_617723_TA_765ed038.HTM

[4] 陳逢期，林光浩，"應用於多輸入多輸出-正交分頻多工偵測系統之QR 分解實現"，系統晶片科技中心技術期刊第10期 2009.5月號。

[5] 廖建興， "爆炸性之通訊資訊—MIMO多線技術之發展與運用"  http://140.114.15.167/mimo.pdf

[6] Dr. Michael Leung, Agilent Technologies，"高階3G MIMO技術初探"， Wireless Design & Development Asia，2009.3月號

[7] 中正大學電機系，無線進接技術實驗室暨數位通訊實驗室，正交分頻多重進接技術研究所教學課程  http://www.ee.ccu.edu.tw/~wl/ofdm/OFDMopendata.htm

[8] 陳瑞奇, 黃惠藩, 施能義, "以正交分頻多工存取為基礎之WiMAX點對多點系統連線阻斷率," in Proc. of 2007全國計算機會議(NCS'2007), vol. 4, Session C-1-1, pp. 1–8, 台中亞洲大學, Dec. 20-21, 2007.

[9] 超頻者天堂 http://www.oc.com.tw/article/0510/readpfarticle.asp?id=4511