當家庭寬頻網路連結、HDTV無線即時傳播等不容許延遲且頻寬需求大的多媒體應用，以及娛樂設備散播及分享內容的應用愈來愈普遍時，無線通訊技術也被要求在有限頻譜的條件下提高其效能。在理想上，我們需要一種能更有效率地高速傳送高品質訊號的技術，而這種技術又不能用到額外的波段頻寬。

多進多出（Multiple-input, multiple-output；MIMO）技術正是能克服訊號衰落、干擾增加及有限頻譜等無線通訊挑戰的一個令人注目的新解決方案。它在不佔用更多頻寬的情況下，除了能讓傳輸速率倍增，也同時能增加傳輸範圍和使用的穩定性。

一個多次元傳輸方案

MIMO技術是一個能在單一射頻通道中收發兩個或多個資料信號流的技術

MIMO採用的是一種革命性的多次元傳輸方案：它透過一個單一射頻通道來收發二或多個資料信號流，如此一來，無線通訊系統就能在一個通道中達到兩倍或兩倍以上的資料傳輸。在系統中，用一個以上高整合的射頻升頻器（upconverter）和天線來傳送這些多重訊號，同時也有一個以上高整合的射頻降頻器（downconverter）和天線來接收這些多重訊號。採用MIMO技術，每個通道的最大資料傳輸速率將隨著通道中傳送的不同資料流數目而呈線性成長。

由於具有同時傳送多重資料流的能力，MIMO可以在不用到額外頻譜的條件下讓無線資料的傳輸能力倍增。MIMO系統的峰值傳輸速率（peak throughput）隨微波通道中傳送的訊號流數目而增加，也因為在不同的天線和通道中傳送多重的訊號，MIMO訊號有時也被稱為「多次元訊號」（multi-dimensional signal）。一般的射頻訊號被稱為一次元訊號，因為它們即使採用多個天線，在一個射頻通道中只能傳送一個資料流。

除了讓相同通道中的資料速率倍增外，妥善設計的MIMO系統還可以藉由高頻譜效率和更高的遠程傳輸速率（throughput-at-range）來增加涵蓋範圍和穩定性。MIMO系統對「有效傳輸速率」（effective throughput；離發射器特定距離所量測到的傳輸速率）的提升比對「峰值傳輸速率」（peak throughput；離發射器很近的地方量測到的傳輸速率）的提升效果還要大，獨立的測試顯示一個設計良好的WLAN MIMO系統可以將有效涵蓋範圍提升八倍，同時也能將有效傳輸速率提升六倍，如(圖一)所示。

《圖一　左半圓為非MIMO系統的測試結果，右半圓為MIMO系統的測試結果》

＜資料來源：The Tolly Group, reference document 204143, published 12/23/2004＞

一些近數十年來廣為人知但是效率較低的多天線傳送及接收技術，常常會和MIMO技術相混淆，這些技術包括發射波束成形（transmitter beam-forming）和接收多樣性（receiver diversity）。這類技術雖然可以改善一般傳統一次元訊號送收技術的涵蓋範圍，也很適合戶外點對點連結（wireless backhaul）等特定應用，但它們還是無法真正達到MIMO系統讓傳輸容量倍增的效果。

其他會和MIMO混淆的技術還包括資料壓縮（data compression）和射頻通道彙整（radio channel combining）。在多數的網路應用上，資料壓縮技術實際上並沒有增加資料的傳輸速率；通道彙整技術則在許多國家中（如日本）遭遇到頻段未開放而不能合法使用的問題。通道彙整技術的另一個問題是它可能會干擾到在同一網路中的其他網路設備，這種會對鄰近無線網路造成負面衝擊的情況，讓通道彙整常被視為是一種「壞鄰居」的技術。

與通道彙整技術不同的是，MIMO不需要增加射頻通道的使用數目就能達到更高的資料傳輸速率；不僅如此，MIMO具有與其他設備的向下相容性和互通操作性，而且不會對其他的網路造成干擾。

MIMO並非一般的智慧型天線系統

某些利用一次元訊號收送技術的智慧型天線（smart antenna）無線系統採用多種技術來改善天線效能，也就是以波束成形技術來集中傳送訊號能量，並以接收彙整（receive combining）或接收多樣性技術來補捉更強訊號。波束成形雖然能為某些應用提供更廣的傳送範圍，但它的一些嚴重的負面因素卻不能被忽視，例如會造成一些隱蔽節點（hidden nodes）、可以支援的終端設備數目會減少，以及在高電力消耗的限制下對射頻傳送器的數目造成限制。

再來看看接收多樣性（antenna diversity）方案，為了接收最強的訊號和改善可靠性，多樣性天線在數個天線間切換選擇，但由於並沒有額外的訊號處理，訊號的品質並沒有改變。接收彙整技術的情況也很相似，它雖然能通過多個天線來進行訊號處理，進而因應訊號衰減和多徑反射的影響，不過這項技術也不能增加資料傳輸速率或傳輸容量。

MIMO讓通道的傳輸容量倍增並改善頻譜使用效益

在多天線技術中，MIMO是唯一能在系統的單一通道或每MHz頻段中，以二倍或二倍以上的峰值資料速率來提升頻譜效能（spectral capacity）的技術。舉例來說，在WLAN或WiFi的應用中，MIMO能將17MHz頻寬中的傳輸速度一舉提升到108Mbps（6.35 Mbps/MHz），相較之下，802.11a/g即使採用了波束成形或多樣性技術，在17MHz頻寬中的峰值表現上也只有54Mbps（3.18 Mbps/MHz）；通道彙整技術雖然也能達到108Mbps的傳輸速率，但它用了40MHz的頻寬，每MHz只能傳送2.7Mbps。因此，MIMO能比同樣採用多個「智慧型」天線的其他系統具有至少二倍的傳送能力。

從Marconi到MIMO：開發多路徑傳播方式

顛覆一百年來的思考

1895年時，Guglielmo Marconi首度改變了世人對於無線通訊的看法。他從一座山後送出第一道射頻訊號，並在三公里外被接收，進而證實了無線通訊不需要採直線對傳（line-of-site）。然而，在接下來的一百年當中，無線領域的專家認為多路徑的訊號反射，也就是從多個路徑到達接收器的情況是造成射頻連結難以維持好品質的一項嚴重問題。

在1990年代時，史丹佛大學的兩名研究生－Greg Raleigh和VK Jones（兩人都是Airgo Networks的創辦人）證實了射頻傳送的多路徑特性其實能提升射頻系統的傳輸能力。在1996年時，這個完全顛覆百年來射頻架構思考的新觀念首度在學術論文中以數學方式被證實，如(圖二)，這份論文的題目是：「無線通訊的時間與空間編碼」（Spatial-Temporal Coding for Wireless Communications, GLOBECOM ‘96, London, November 1996, pp.1809-1814）

《圖二　MIMO在瑞雷衰落通道（Rayleigh Fading Channel）的平均能力》

這個革命性的作法把香農極限（Shannon limit）理論延伸到多路徑通道傳送的MIMO系統上，它藉由射頻訊號經由物件反彈後再由接收器分開來接收的所謂空間多工（Spatial Multiplexing）原理來傳送比過去所能想像得到的可行方式還要更多的資訊。透過在連結兩端的多重天線的使用和複雜的數位訊號處理演算，MIMO確實運用多徑反射來改善效能。

MIMO如何運作

在(圖三)中說明了MIMO運作的方式：(1)MIMO系統將一個資料流分為數個資料流；(2)每個資料流被模組化編碼；(3)透過不同的射頻天線鏈，同時、在同一頻率通道中被傳送；(4)經由多徑反射後，每一個接收天線射頻鏈都有多個傳送資料流的線性彙整；(5)在接收器中使用MIMO演算法將這些資料流分開，演算法是依每個發射器和接收器之間的所有通道來做估算。

《圖三　MIMO系統的運作方式》

每個多徑路線可以被視為是創造多重「虛擬線路」的個別通道，它們都能用來傳送訊號。MIMO多個空間性分離的天線可以充分發揮由多徑創造的虛擬線路，並傳送更多資料。除了讓傳輸速率倍增外，由於每個接收天線對於個別傳送資料流都進行計算，傳輸範圍也因此能增加，這也是天線多樣性的一種優點。

802.11 MIMO OFDM發射器

一個基本的MIMO-OFDM發射器流程如(圖四)所示，圖中顯示主要的處理區塊包括數位（綠色）、混合訊號（藍色）和類比（黃色）等功能：兩個發射器天線和兩組在一起的OFDM調制器（modulator）、數位－類比轉換器（DAC）、類比調制器（RF前端）、功率放大器（PA），和全向性（omni-patterned）天線。

雙天線MIMO發射器是一個由兩組同一來源的類比鏈（DAC和RF電路）及omni-patterned天線組成的數位調制器，因此，802.11 MIMO-OFDM的傳輸和兩個同步在相同通道中的802.11 OFDM傳輸是完全一樣的，只不過傳送的是不同的數位資料。

如圖四所示，資訊源先雜散化（scrambled）之後，加上以多餘前向糾錯（Forward Error Correction redundancy；FEC）的方式作編碼。為了讓這些編碼位元的傳送次序隨機化，這些編碼過的位元（encoded bits）會被分別交叉放置到不同的天線發射鏈中，也就是連續的編碼位元被隨機送到不同的OFDM調制器，每個調制器再將編碼位元往後送到發射處理鏈及天線。

《圖四　MIMO-OFDM 發射器的基本架構》

MIMO並非發射波束成形技術

MIMO採用的技術和一般的發射波束成形技術（有時被稱為「智慧型天線」）是相對的，後者的基本原理是調整普通訊號的振幅（amplitude）和相位（phase）來建構個別的天線訊號。

(圖五)所示的是發射器數位訊號處理部分的雙天線波束成形系統，訊息資料被編碼和插入OFDM載波中，在這個情況中的交錯器（Interleaver）並非將編碼過的位元送到不同的天線，而是只是送到不同的頻率中，這個發射器只用了一個OFDM調制器。波形接著依個別天線做振幅和相位的調整，再分成w(1)和w(2)送到天線，每個OFDM音頻（tone）可能會有不同的相位和振幅值。

雖然對於戶外點對點無線連結（wireless backhaul）等特定應用來說，這樣的作法有其優勢，但它並不能增加無線網路的整體傳輸速率，也不能為家庭及辦公室的多用戶無線網路提供一個可靠性的環境。

《圖五　OFDM發射波束成形的基本架構》

MIMO在802.11n和Wi-Fi未來應用中的角色

對於無線通訊領域來說，一直在尋求能達到更高傳輸速率、更廣的涵蓋範圍和更可靠性能的解決方案，MIMO為這樣的需求提供了一個創新的方案，而且不需要使用更多的頻譜。

在MIMO技術的優勢下，WLAN可以用來傳送不容許延遲、需要大量頻寬的多媒體應用，例如HDTV無線即時傳播；它也為企業或家庭提供了在更大涵蓋範圍中的可靠及更高的傳輸速率，而且讓不斷提升的網路連結速度能充分發揮其好處。使用者不用再因連結速度慢、涵蓋範圍不足或不可靠的連結而感到挫折。

MIMO已被採用來做為定義下一代WiFi，也就是IEEE 802.11n標準的基礎。未來MIMO將廣泛地被用在WiFi設備上，從家庭中的娛樂系統到多媒體伺服器，到手持式電腦或VoIP電話等設備中都可以發現。不僅如此，MIMO在頻譜效率和效能表現上的優勢，讓它也很適合被用在廣域無線的手機應用市場。

當IEEE 802.11n的標準完成並正式被批準，而WiFi聯盟也開始針對此標準進行互連性認證後，MIMO系統會是今日802.11a/b/g標準的技術延伸，為使用者提供了市場上最佳的無線傳輸表現，並保留了現存WiFi系統的完整功能。（作者為Airgo大中國區總經理）

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