LTE/11ac传输飙高速　多串流MIMO设计掀风潮

<   多重输入多重输出(MIMO)将成无线通讯系统必备设计。愈来愈多LTE和802.11ac通讯装置制造商，在新一代产品中采用多根天线和MIMO设计，藉此产生多个空间资料串流，进而在不增加频宽和总发射功率的前提下，提高整体系统资料吞吐量及传输距离。
多串流多重输入多重输出(MIMO)设计席卷无线通讯市场。新一代无线通讯技术无不以提高传输率及强化讯号连结品质等方向来制定标准，为了达成此目标，MIMO设计已成为无线通讯架构中最为炙手可热的议题。  
满足高速无线通讯需求　MIMO时代来临 

图1　罗德史瓦兹(R&S)应用支援经理陈飞宇表示，随着新一代通讯标准竞相出炉，能提升数据传输率及吞吐量的MIMO架构将大行其道。
罗德史瓦兹(R&S)应用支援经理陈飞宇(图1)表示，过去无线通讯技术主要系以单一输入单一输出(SISO)设计为天线串流架构，不过，随着终端使用者对于高速资料串流的需求益发热切，采用SISO设计的无线通讯技术，最终仍会面临频宽不足、发射功率不佳等困境。  
此外，毅狮科技副总经理邱鹏彰(图2)进一步指出，频谱已成了无线通讯技术中极为珍贵的资源，因此如何透过开放频谱之外的方式来增加讯号覆盖率(Capacity)及提升讯号传输表现，就成了无线通讯技术发展中极为重要的课题；而使用多重天线(Multi-antenna)设计来拓宽讯号传输路径，进而纾解无线通讯频宽不足及发射功率不佳的窘境，并提升讯号传输效能，就成为近年来通讯产业极为关注的解决方案。  
邱鹏彰认为，随着802.11ac及长程演进计画(LTE)标准的问世，采用MIMO技术的多重天线设计已成为无线通讯产业新宠儿；而未来除了用以传输极小资料量的LTE及第五代行动通讯(5G)的系统会用到SISO技术之外，几乎可预期SISO设计将随着未来3G时代的落幕而成为明日黄花。  

图2　毅狮科技副总经理邱鹏彰指出，MIMO架构能优化天线收发效能，已成为无线通讯业者关注的新焦点。
陈飞宇指出，MIMO设计主要包含传送分集(Transmit Diversity)、空间多工(Spatial Multiplexing)、单一使用者多重输入多重输出(SU-MIMO)、多重使用者多重输入多重输出(MU-MIMO)、主动式天线系统(Adaptive Antenna System, AAS)、波束成形(Beamforming)等多重天线技术；也因此，天线效能、网路覆盖、通道路径、传送分集应用、讯号衰减效应、通道脉冲响应(Impulse Response)等测试需求亦将因应而生。  
总而言之，MIMO设计已成无线通讯业者极为关注的新焦点，传统的系统设计方法亦将有所转变；其中，在MIMO通道编码设计领域，低密度同位元检测(Low Density Parity Check Code, LDPC)及重复累加(Repeat Accumulate, RA)编码更将大行其道。  
简化MIMO系统设计　LDPC/RA编码成显学 
为了简化MIMO系统的设计复杂度，学界早已开始使用LDPC及RA编码来取代行之多年的涡轮编码(Turbo Code)；而在业界，802.11n标准已率先采用LDPC编码形式，至于蜂巢式通讯的5G技术，亦可望走向LDPC/RA编码时代。  

图3　台湾科技大学电子工程系助理教授林士骏认为，802.11n标准已率先采用LDPC编码形式，未来5G技术亦可望走向LDPC/RA编码时代。
台湾科技大学电子工程系助理教授林士骏(图3)表示，由于MIMO系统中多重路径(Multi-path)和伴随而来的多路径衰落(Multipath Fading)的影响，行动通讯系统须要以各种讯号处理方式来提高无线通讯环境中的传输效能；其中，通道模拟、分集技术、通道校正编码技术都是改善MIMO通讯环境传输效能的重要方法。  
林士骏进一步指出，为了保证各种数据在通道中能可靠有效地传输，通道校正编码在现代行动通讯系统中是极为重要的设计环节。随着无线数位通讯的技术发展，业界必须找到更好的校正编码方案，以满足下一代行动通讯系统的需要。  
林士骏分析，目前3G/4G LTE系使用Turbo编码形式；这种技术过去为行动通讯系统中的显学，不过随着通讯技术演变至正交分频多工(OFDM)技术，加上效果更为出色的新型态编码形式，如LDPC及RA编码的出现，Turbo编码已经显得不合时宜；不过，第三代合作夥伴计画(3GPP)为了通讯系统的向下相容性以及多模并存考量，因此在4G时代仍选择沿用过去的Turbo编码。  
相反地，电机电子工程师学会(IEEE)已在802.11n标准中采用新的LDPC编码。林士骏指出，LDPC编码有相当高的传输速率，总体而言可让系统有更好的性能表现；更重要的是，过去使用Turbo编码设计MIMO系统时，软体演算极为复杂，必须重复纠错校正，设计过程旷日废时，相对而言LDPC编码则能很快速地优化MIMO系统设计，并降低通道容量损失(Capacity Loss)。
林士骏预期，目前3GPP即将底定的Release-12版本可能仍旧沿用Turbo编码形式，不过随着研究机构、学术界都已开始使用LDPC编码及RA编码研拟新一代无线通讯方案，下一代的蜂巢式通讯标准使用LDPC或是RA编码技术亦是指日可待。  
提升讯号传输吞吐量　MIMO通道容量为关键 

图4　资策会智通所正工程师廖书汉分析，开发商可透过射线弹跳追踪演算法找到天线最佳发射位置及通道特性，进而改善MIMO系统效能。
除了编码设计之外，MIMO通道亦是优化MIMO天线系统效能的关键。资策会智慧网通系统研究所正工程师廖书汉(图4)表示，开发商可根据“射线弹跳追踪法”等演算法来模拟求得MIMO无线通讯系统在各种不同通道的频率响应和脉冲响应表现，并计算和比较MIMO系统的通道特性(图5)，进而订定出最适合MIMO无线通讯系统的运作机制。  
此外，廖书汉补充，设计人员亦可根据已知的室内环境以及使用的MIMO无线通讯系统，藉由演算法找到MIMO系统中的最佳发射天线位置，并探讨同频干扰对于MIMO通讯系统通道容量的影响，进而设计出使系统通道容量提升的解决方案。  
另一方面，为了提供更准确的通道模拟测试，美国无线通讯协会(CTIA)预计将于2015年第一季强制执行LTE通讯系统中的MIMO空中传输(Over The Air, OTA)测试规范，让纷扰多时的LTE MIMO OTA测试终于有标准可循，可预见未来MIMO OTA测试需求将涌现，并为耕兴、台湾检验科技(SGS)、立德国际商品试验、毅狮科技等实验室与仪器商，带来庞大的MIMO OTA测试商机。  

图5　六种不同几何结构的MIMO通道示意图　资料来源：资策会智通所
CTIA强制规范　MIMO OTA测试需求起 
邱鹏彰表示，标准组织在订定通讯标准前，通常会提出许多测试案例(Test Case)，再根据这些测试案例所在空间，实地量测无线电通道(Radio Channel)，之后便会简化、归纳这些实验数据并产生数学模型；不同测试案例下的通道模型(Channel Model)即是依此产生，如第五代行动通讯标准目前即被提出了共十二种通道模型。  
邱鹏彰进一步指出，待通道模型产出、标准底定后，通讯晶片商便会依据基地台模拟器、通道模拟器等连接性测试方法模拟测试案例，并依此开发晶片；值得注意的是，除非是像联发科、瑞昱等提供完整公板平台的通讯晶片商，否则高通(Qualcomm)、博通(Broadcom)等晶片商仅会透过通道模拟器及基地台模拟器来验证晶片收发效能，此间并不会考虑到天线配置对于通讯系统的影响。  
不过，邱鹏彰分析，由于SISO天线时代将因4G通讯崛起而落幕，取而代之的是须在多重路径下传输讯号的MIMO天线，且随着通讯标准改朝换代，通道模型也益发复杂，因此通讯系统厂亟须透过能准确模拟、生成通道模型的MIMO OTA测试，来验证MIMO天线及系统效能。  

图6　立德国际商品试验OTA检测部资深经理吴俊吉透露，MIMO OTA测试规范，将为仪器商、实验室捎来庞大测试商机。
立德国际商品试验手机事业部之OTA检测部资深经理吴俊吉(图6)透露，事实上3GPP及CTIA早就有意将LTE MIMO OTA测试标准纳入规范，最后双方协议，由CTIA主导此一标准制定，详细规范LTE MIMO OTA测试方法、步骤、环境等。 CTIA OTA工作小组(CTIA OTA Working Group)预计于2014年10月初公布规范，并于2015年1月让测试标准强制上路。  
吴俊吉指出，MIMO OTA测试与空间相关系数(Spatial Correlation)极为相关，这取决于多重路径的角扩展(Angular Spread)和多天线间的距离、交互耦合及辐射场图型等；为了测量和验证MIMO天线和通讯系统的性能，MIMO OTA要确实评估终端使用者在现实生活中可能会碰到的条件下，对于数据传输的吞吐量(Throughput)有何影响，因此MIMO OTA测试中最关键的挑战是如何在无反射实验室(Anechoic Chamber)产生一个最接近真实环境的空间、角度和射频通道模型(图7)。  

图7　MIMO OTA测试系统架构　资料来源：毅狮科技
邱鹏彰认为，随着MIMO天线在通讯系统中愈来愈广为所用，为了准确模拟讯号在MIMO多重路径下的收发效能，能产生通道模型的MIMO OTA测试系统将变得愈来愈重要，再加上CTIA即将公布LTE MIMO OTA测试规范，种种发展都将为MIMO OTA测试/验证市场捎来新商机。  
值得注意的是，MIMO天线系统的使用，也将为射频前端元件带来新的市场机会。众所周知，LTE行动通讯装置制造商为提升传 输速率，正大量采纳载波聚合(Carrier Aggregation)技术及MIMO天线，造成射频(RF)前端设计更趋复杂，并引发各种讯号干扰问题；而能提升MIMO天线灵敏度及传输品质的低杂讯放大器(LNA)模组，将因此更加受到市场青睐，后势可期。  
改善4G MIMO灵敏度　LNA模组前景看俏 

图8　英飞凌电源管理及多元电子事业处经理黄正宇谈到，能提升MIMO天线灵敏度及传输品质的LNA模组，未来市场发展前景明朗。
英飞凌(Infineon)电源管理及多元电子事业处经理黄正宇(图8)表示，MIMO设计最主要的宗旨是增加通讯系统的传输率，其中最重要的两个参数就在于灵敏度和频宽表现，这也将牵动分集天线(Diversity Antenna)、天线调谐开关(Antenna Tuning Switch)、接收器等射频元件的设计走向，并让射频前端系统架构日趋复杂。
黄正宇进一步指出，因应上述趋势，印刷电路板(PCB)走线长度势必大为增加；此外，射频系统在分集路径(Diversity Path)的设计前提下，会发生各种因电路板走线、用户手部遮蔽导致的损耗现象，再加上元件之间将存在各种频率、讯号干扰的问题，上述种种都将降低系统灵敏度，影响MIMO效能，因此要让整个通讯系统达到真正所谓“零频干扰”的目标将更为困难。
黄正宇强调，MIMO的通道容量关乎传输率，并与频宽、讯噪比(SNR)息息相关，因此如何改善系统灵敏度，达到更好的讯噪比，进而提升通道容量密度与讯号传输率，将是行动通讯MIMO系统设计的重要课题。  
有鉴于此，行动装置品牌厂已开始吹起将低杂讯放大器导入至通讯射频前端系统的潮流，藉此减少讯号通过传输线的损耗，进而改善4G行动通讯系统讯号灵敏度，将MIMO天线效益发挥至极大值。  
黄正宇认为，虽然目前低杂讯放大器的应用尚未成为智慧型手机标准配备，不过一线品牌厂，为了达到产品规格、效能差异化，已竞相在旗舰级机种内导入此种解决方案。他预期，在4G时代，低杂讯放大器在MIMO系统中的角色将更为吃重。  
有鉴于此，英飞凌已推出尺寸仅为1.1毫米(mm)×1.9毫米的四频LTE低杂讯放大器模组，内含四颗低杂讯放大器，除能改善LTE MIMO通讯效能外，亦可符合载波聚合的规格需求。  
另外，英飞凌近日还开发出市面上首款LNA多工器模组(LNA Multiplexer Module, LMM)，该模组整合一颗低杂讯放大器及开关(Switch)，尺寸仅1.1毫米×1.9毫米，相当于四频LTE LNA模组，不过效能却可媲美三颗低杂讯放大器。此外，LMM完全舍弃通用型输入输出(GPIO)介面设计，改采行动产业处理器介面(MIPI)，因而可大幅减少系统绕线数量，简化电路板设计，并降低整体物料清单(BOM)成本。黄正宇透露，LMM模组目前已获部分一线手机品牌厂青睐，预计下一代旗舰机种即可望导入该解决方案。  
除了LTE之外，802.11ac Wave2标准的问世，亦让新一代Wi-Fi装置得以享受MU-MIMO技术带来的裨益；不过，MU-MIMO提供的多重空间串流优势，却也将让射频前端系统设计更为复杂，因此为了提升系统厂开发便利性，网通晶片大厂高通创锐讯(Qualcomm Atheros)近来已开始进军802.11ac Wave2领域，期能抢得市场先机。  
卡位11ac 2.0商机　高通创锐讯产品出笼 

图9　高通创锐讯业务拓展经理林健富表示，该公司近期已抢先推出支援802.11ac 2.0的新方案，抢占市场先机。
高通创锐讯业务拓展经理林健富(图9)表示，采用MU-MIMO技术的802.11ac Wave2标准(802.11ac 2.0)，让无线网路基地台(Access Point)、路由器(Router)等设备能透过多重空间串流(Spatial Stream)通道及波束成形技术，同时对多台用户端装置提供串流服务，省却过去Wi-Fi在SU-MIMO天线串流技术下，装置须依次轮流等待AP设备传输讯号的弊病。  
林健富进一步分析，如今每个家庭内平均拥有七个Wi-Fi联网装置，到2020年时数量更将增加到二十个，也因此，能提升数据传输效率的MU-MIMO技术势必更为重要；他预估，至2016年之后，家中Wi-Fi联网装置将有一半以上系采用802.11ac Wave2标准，以享用MU-MIMO串流为AP及用户端设备带来的效益。  
有鉴于此，802.11ac Wave2标准于今年公布后，高通创锐讯旋即推出最新的11ac 2.0晶片组。据了解，目前该公司的802.11ac Wave2方案，系采用4×4(四串流)MU-MIMO设计，可提升802.11ac Wave2传输速率至1.7Gbit/s，于多装置联网时更可达到三倍的实际传输速度，且在网路覆盖范围内至多可支援七个联网装置。  
林健富补充，该方案虽提供4×4天线、四个串流空间，不过，一次最多仅能服务三组装置，另一组天线则被设计用来侦测比对讯号来源，以动态调整讯号收发效能；相较于用罄四个串流、同时服务四组装置的使用模式，上述做法能提供终端装置更好的数据传输效能。  
值得注意的是，MU-MIMO的多串流架构，将为射频前端设计带来新挑战。林健富指出，前进到4×4天线设计的无线通讯时代，射频前端元件的用量将会增加、绕线更为复杂且会垫高系统成本；因此，为了提高客户的设计便利性，Wi-Fi射频前端模组将扮演愈来愈关键的角色。  
因应上述开发挑战，市场上已有业者开始着手研发更高整合度的Wi-Fi射频前端模组，将整合低杂讯放大器、功率放大器(PA)、滤波器(Filter)、射频开关(RF Switch)等元件，并采2×2设计，亦即一颗模组可对应802.11ac Wave2主晶片的两个串流，两颗模组即可完成4×4的802.11ac Wave2系统设计，降低系统厂的开发成本及PCB布局面积。  
林健富透露，目前包括NTT DOCOMO、SK、LG U+、KT、康卡斯特(Comcast)等全球主要的电信商、宽频网路业者，皆已着手投入802.11ac Wave2 AP的设计案，预计于2014年11月或2015年初消费性电子展(CES)时，将会看到更多采用802.11ac Wave2晶片的终端装置倾巢而出。  
综上所述，随着新一代通讯标准的问世，以MIMO架构为基础的通讯系统设计已成为无线通讯业者决胜市场的新关键。开发商除了须掌握MIMO编码设计、通道模型、天线收发效能、分集路径等特性之外，亦须关注射频前端系统架构是否将随之牵动，以开发出最佳传输效能的MIMO无线通讯系统。