目前，無線通訊的標準如長程演進計畫(LTE)、加強版高速封包存取(HSPA+)、全球微波存取互通介面(WiMAX)和無線區域網路(WLAN)，皆必須具備處理高速資料傳輸的能力。為了達到高速資料速率的工藝，可利用多根天線系統。兩根或更多根天線架構，稱為多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)。在多MIMO的應用中有兩種主要技術：空間多工性(Spatial Multiplexing)和TX多樣性(TX Diversity)。
剖析下行物理架構
在LTE的規範中，MIMO應用中的天線系統可至四根天線。基本下行(Downlink)架構如圖1所示，此架構係根據第三代合作夥伴計畫(3GPP)標準中的定義。
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| 圖1 下行物理架構 |
一個或二個資料串(Code Word或Stream)會經過擾頻(Scrambling)和調變(Modulation)例如QPSK/16QAM或64QAM，資料串會傳入其他四個功能單元，分別為 層別對應(Layer Mapper)、預先編碼(Precoding)、資源單位對應(Resource Element Mapper)、正交分頻多重存取(OFDMA)訊號產生器(Signal Generation)後，傳至天線端發射。然後，在接收器利用一樣的原理處理所接收的資料串。
此處著重於層別對應功能單元和預先編碼功能單元如何處理資料串至天線系統。舉例來說，若有一根天線單一輸入單一輸出(SISO)在發射端時，此刻將只需一個資料串和一個層別的功能單元，且資料傳輸至天線皆為1:1。
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| 圖2 2×2 MIMO |
接著說明如何利用兩根天線的傳輸方法，一種為空間多工性，與另一種為TX多樣性。
使用兩根天線表現空間多工性
可從圖2中得知如何使用兩根天線表現空間多工性。以下接著說明相關的層別對應功能單元、預先編碼功能單元及迴圈延遲多樣性。
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在調變功能單元(Modulation Mapper)會指定調變方式於每一資料串。換言之，每一資料串中的符號(Symbol)的調變方式都一樣。在二層別結構下，第一資料串的符號傳至層別0的功能單元；第二資料串的符號傳至層別1的功能單元。 |
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每一層別(符號)會被乘以一個已經定義的矩陣，根據碼書索引(Codebook Index)於表1，然後傳至個層別的資源塊--OFDMA訊號產生器，最後傳至天線。 |
以下舉三個範例進行說明。圖3顯示一個簡單的構造，包括一資料串、一層別和兩根天線。資料串中的個別符號直接傳到每一功能單元，在預先編碼功能單元指定符號於1:1天線路徑。也就是說，當兩根天線傳送相同的符號訊號時，一部訊號分析儀(Signal Analyzer)便足以解調每根天線所輸出的訊號。
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| 圖3 預先編碼一個資料串、一個層別、 索引0 |
圖4表示兩個不同調變的資料串QPSK(1)及(2) 16QAM。資料串直接傳入到兩個層別。預先編碼依據碼書索引0直接傳入天線層，這意味著天線1所傳輸的使用者資料為QPSK調變於PDSCH通道；而同時，天線2所傳輸的使用者為16QAM調變。一部訊號分析儀足夠解調在這種情況下的訊號，因為兩根天線的資料串不會混雜。
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| 圖4 預先編碼二個資料串、二個層別、索引0 |
圖5則顯示兩個不同調變的資料串：QPSK(1)及16QAM(2)。資料串直接映射到兩個層別。預先編碼依據碼書索引1直接傳入指定天線混合的層別，傳送混合的調變訊號。因為預先編碼混合兩層別的資料串，所以必須使用兩部訊號分析儀來解變兩層別的混合資料串。
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| 圖5 預先編碼二個資料串、二個層別、索引1 |
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迴圈延遲多樣性(Cyclic delay diversity, CDD)模式也提供空間多工性。在這種情況下，乘以D(i)和U矩陣，表示另一類型預先編碼矩陣W(表2)。 |
在乘法中混合在兩個層別的資料串，且第二層別也有相位旋轉。在多路徑中的相位位移，必須加至每一通道。因兩個層別資料串已經混合，需兩部訊號分析儀來解調兩個層別的混合資料串。
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| 圖6 TX多樣性 |
使用兩根天線展現TX多樣性
圖6表示如何使用兩根天線展現TX多樣性。可從層別對應/預先編碼的功能單元探討其中的運作原理。
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兩根天線在TX多樣性的情況下，資料串會被映射到兩個層別。在預先編碼時乘至兩個別層，導致天線1傳輸原有的資料串，與天線2傳輸共軛性的相同資料串傳輸(圖7)。
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| 圖7 一資料串和二層層別的TX多樣性 |
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總歸來說，一部訊號分析儀足以解調在這一資料串情況下，因為兩層別的資料不會混雜。
(本文作者任職於羅德史瓦茲)