专题报导-用于ieee80216m下行传输之多输入多输出技术介绍.docVIP

【技術專欄】用於IEEE 802.16m下行傳輸之多輸入多輸出技術介紹 工研院資通所 / 何從廉 摘要 『寬頻無線』已成為4G第四代行動通訊的基本訴求，也可說是4G的一個最佳代名詞。而目前4G的兩大系統—『WiMAX』與『3GPP LTE』，姑且而論，不論誰會是未來4G提案的最後王者，無不都將朝著『寬頻』與『無線』邁進。而為達到此兩大消費要求，目前世界公認最有效的方法即是利用『MIMO多輸入多輸出』技術。 而為何『多輸入多輸出』方法會成為4G最有效的核心技術及到底有哪些多輸入多輸出技術被採用、為何被採用與如何使用？本文將針對目前4G 兩大系統提案之一的IEEE 802.16m之下行傳輸進行MIMO技術的介紹。 簡介 4G的定義 圖1：國際電信聯盟-無線電標準部門ITU-R對未來4G無線行動通訊的展望[1] 國際電信聯盟-無線電標準部門ITU-R已於2003年所釋出的一份報告中提到4G無線行動通訊的一項未來展望並清楚定義了『何謂4G』。在這篇文章中，首先說明在4G的應用產品中，必須在『低速的移動下能提供上至約1 Gbit/s』的傳輸速率，而在『高速的移動下亦能提供上至約100 Mbit/s』的傳輸速率之能力，如圖1。並且希望商用化的產品能於2010年左右問世。由於消費者對未來的通訊產品要求能同時在『高移動速度』下提供『寬頻』服務，因此『寬頻』與『無線』成了4G的兩大主要需求。有鑑於此，目前世界上4G的兩大系統『IEEE 802.16m』及『3GPP LTE-A』則主要針對在『高速的移動下提供上至約100 Mbit/s』之傳輸能力進行研究。其中，IEEE 802.16m起步較早，已於2006年12月左右已開始啟動制訂4G標準草案。目前其技術已漸趨成熟已有一些商用產品並積極開發市場、拓展影響力。可說是開發4G技術的火車頭。因此，套句近代在MIMO技術中著名的『空-時編碼』偉大發明者-Alamouti所曾說過的話-『若需求為發明之母，則WiMAX可稱為LTE之父』即不難推敲。而相較於IEEE 802.16m，3GPP LTE-A則起步稍晚些，並踩著WiMAX的肩膀於2008年5月左右開始啟動。雖然，前者已有一些商用產品，但以目前的動向觀察，基於已存在的2G與3G穩定產品與市場發展，世界上大部分的大型電信營運商則仍傾向支持參與3GPP LTE-A的4G標準草案制訂。似乎意味著其市場較大，可分食的大餅也較大！但為能贏得4G在最後ITU-R的提案，WiMAX系統已悄悄計畫，預計在2010年12月左右成立IEEE 802.16x，並相同地踩著對方的肩膀上，持續對IEEE 802.16m進行改善與演進。當然，很有可能地會問3GPP LTE系統是否亦會持續制訂演進草案以獲取ITU-R的青睞？因此，最後鹿死誰手方不得而知？會是WiMAX系統？還是3GPP LTE？亦或是兩者同時共存？留下無限遐想… 4G的核心技術 至目前為止，預估未來可能擁有4G產品的有三大競爭系統，如圖2。第一是發展已久的細胞式語音系統。從傳統的1G、2G一直演進到最近的3G系統及其3G+系統。由於強調提供的是『語音通訊』的服務，對於其傳輸率要求較低但需可應用於較高移動速度的環境下。第二種系統是無線區域網路WLAN，相同也已經發展許久。但其應用情境則剛好與第一種相反。是一種提供用於低移動速度（甚至是靜態）高資料傳輸率的『資料通訊』服務。最後一種系統則是約在2005年後快速竄紅的一種傳輸系統。主要即是因為其應用情境則剛好介於上述兩者之間。在上述兩者的應用情境取得平衡補足其相互之缺點。而由於WLAN系統所使用的頻帶是不用取得執照(Unlicensed)的頻帶。因此此一系統，不需要提案制訂4G的標準草案送交至IMT-Advanced與其他兩個系統競爭以取得4G執照(Licensed)頻帶的牌照使用權。基於此，4G標準草案的制訂僅在第一種與第三種系統出現，並且相互競爭。以目前4G標準草案制訂的角度來說，上述第一種系統是以Ericsson為首的3GPP LTE系統，第三種系統則是以Intel領軍的WiMAX系統。但不論上述哪一種系統，為了要達到4G寬頻無線的要求，同時都使用了目前世界公認最有效的方法—『MIMO多輸入多輸出』技術。 圖2：通往4G的三大途徑及其發展演進[1] 但MIMO技術並非適用所有的通訊環境。尤其在頻率選擇式的通道環境下，接收機需進行通道等化的程序。此時若直接使用MIMO技術提升資料傳輸率，則會使接收機的複雜度大大提升。尤其遇到接收機若是用戶終端則此一方法並非是最佳的方法。由於OFDM技術將其傳輸頻帶切割成非常多個小的頻率間格，並在此小的頻率間格上進行資料傳輸。如此在每一個小的頻率間格上看來其通道變化即不明顯。形同將一頻率選擇式的通道轉換為一非頻率選擇式的通道。因此O