由于MIMO抗衰減特性表現佳，MIMO技術可望以較高的頻譜效率提升數據傳輸率(data rate)。商用無線系統是在具明顯多重路徑(multipath)環境下運行，因此，MIMO天線系統正可因此現象，發揮系統最佳運作效益…

盡管MIMO技術的特性對商業化應用極具吸引力，但MIMO系統與傳統技術相較，卻相對復雜許多倍！在無線系統實作中，該MIMO技術會產生一些特殊測試與量測挑戰，其中1項挑戰在于無線信道與信道相關性效應(如路徑損耗和多重路徑衰減)。

在無線通訊系統中，無線信道是決定系統效能的關鍵因素，唯有確保每個無線通道具明顯差異，才能在相同時間/頻率空間內支持多個串流。因此，充分了解通道相關性效應，對于MIMO效能的最佳化至為重要，要達到最佳化，則必須在真實環境與信道下準確測試MIMO組件(例如接收器)和系統的方法。目前遇到的問題是受限于通道靈敏度、行動性需求…等因素，直接在「真實」無線環境中執行這類測試，是既無效、又不切實際的做法。為解決環境問題，則必須針對此嚴苛的測試環境設計專用量測設備，因應MIMO的通道效應問題。

MIMO通道相關性效應

審視MIMO運作方式及其發生作用的理由，才能更深入了解通道相關性效應所產生的新挑戰。無線通訊系統中，MIMO多重天線系統會把各個天線放置在密集的多徑散射(multipath scattering)環境，以利用無線通道的空間特性。MIMO系統會使用多個收發器，以便產生多個可在接收器內部恢復的獨立信號路徑。

MIMO中的「輸入」和「輸出」，是指存在于各個天線間的無線信道。當多個發射器同時將信號輸入無線信道，而這些信號組合同時從無線信道輸出到多個接收器時，便可達到效能增益。

圖說：1.圖中的彩色箭頭描述SISO、SIMO、MISO和MIMO (2x2)系統信道配置。

圖1是在無線系統中用來連接發射器與接收器的幾種基本配置，包括單一輸入單一輸出(SISO)、單一輸入多重輸出(SIMO)、多重輸入單一輸出(MISO)和多重輸入多重輸出(MIMO)。圖中的每個箭頭代表2個天線間的多個信號路徑(包括直接視線傳輸LOS路徑)，及由周遭環境的反射、散射和繞射造成的多徑信號。在2 x 2 MIMO配置中，每個發射器天線都有2個不同的發射通道，而每個接收器天線則有2個合并接收通道，還有許多其它MIMO配置，是使用多對天線組合，例如3 x 3和4 x 4。在配置MIMO系統時，甚至可在發射器與接收器使用不同數目天線。

實現MIMO系統，可對抗信號衰減或提高系統容量。一般而言，多重天線可分為空間分集、空間多任務和波束成形…等3種技術。

以空間分集技術　達到抗衰減目的

空間分集(Spatial Diversity)技術可藉由減少重新傳輸次數，達到提高功率效率目的，主要采用延遲分集(delay diversity)、空時區塊碼(Space-Time Block Codes；STBC)和空時格碼(Space-Time Trellis Code；STTC)…等方法。

在多重路徑明顯的環境下，無線信道中的信號功率會隨時間和距離快速地波動，當接收器的信號功率大幅下降時，通道就處于多徑衰減狀態，無線通道中通常會使用分集來對抗此衰減效應。天線分集對抗衰減的方法，是將來自于2個或更多個獨立衰減的信道信號加以合并。以SIMO系統為例，當接收器將來自不同天線的信號合并，使該信號的振幅變化比任1個天線信號振幅來得小時，接收天線分集便能改善系統效能。分集特性在于獨立衰減信道的數目，又稱為分集階數(diversity order)，即等于SIMO系統中的接收天線數目，但如果衰減通道并非獨立，則天線分集可能無法改善系統效能。

從發射分集適用于MISO通道的角度觀察，如果從每個發射天線到單1個接收天線的信道具有獨立衰減特性，則分集階數會等于發射天線數目。若發射器事先并不知道通道特性，則必須適當設計發射信號，以使接收器達到分集增益。空時編碼(Space Time Coding；STC)是近來頗受矚目的1種發射分集技術，它會在不同時間將相同使用者數據傳送到2個發射天線，以提高成功恢復所需數據的機率，此技術亦可對空間和時間數據進行有效編碼。

圖2是使用Alamouti STC的1個簡單的方塊圖。此系統中的2個天線會在任1個符號周期內，同時發射2個不同符號。

圖說：2. Alamouti空時編碼(STC)方塊圖，其中h0和h1代表通道系數，S0, S1…代表序列中的符號，( )* 則代表共軛復數運算。此系統中的2個天線會在任1個符號周期內，同時發射2個不同符號。

STC分集技術無法提升系統數據傳輸率，只能改善信號質量。圖2中的序列不僅采空間與時間編碼(空時編碼)，也可進行空間域和頻域編碼。在此情況下，2個不同的天線并不會發射2個連續符號周期，而是會使用2個頻率載波(空間-頻率編碼)。

MIMO通道中的分集是上述發射與接收分集的組合。如果在每1對發射/接收天線間的信道具獨立衰減特性，則分集階數會等于發射與接收天線數目的乘積。

空間多任務技術　提升數據傳輸速度

空間多任務(Spatial Multiplexing)技術使用定義為MIMO的空間多任務，其特色是不同天線會同時發射各個獨立數據流，以增加有效數據傳輸率。空間多任務使用與傳統SISO系統中相同的頻寬和功率，卻可以提高傳輸速率。理論上容量的增加會與加入MIMO系統中的發射/接收天線對數目呈線性相關。當配置中的發射器與接收器天線數目不相等時，容量增加會與當中較小的數目，M或N成比例關系。

空間多任務也可應用于多使用者格式，亦即分空多任務存取(Space Division Multiple Access；SDMA)。若有2名行動用戶透過相同無線信道發射他們個別的信號，這2個信號會傳送到配備2個天線的基地臺，并經由空間多任務將它們區分開來，容量增加會與基地臺的天線數目或行動用戶數量(取其較小者)成比例關系，雖然用戶并未感受到容量增加，但服務提供者卻可以在相同空間為更多的用戶提供服務。這項技術已在WiMAX Wave 2標準中加以定義，稱為「上行鏈路協同空間多任務」(Uplink Collaborative Spatial Multiplexing；UL-CSM)。

空間多任務只有在無線環境的多重路徑現象很明顯時，才能提高數據傳輸率，原因在于這類環境會使通道間的相關性降低，以便能夠在接收器進行數據恢復，當信道間有高度相關時，空間多任務的效能便會急劇下滑。

波束成形技術　達到容量增益

波束成形(Beamforming)技術必須利用發射器信道的背景知識，在傳統波束成形應用中，每1個天線組件會在每1個信號路徑應用復雜的權重(大小和相位)后，同時發射相同的信號(數據符號)，以便使天線數組在無線鏈路上達到最佳的信號/噪聲比(SNR)。

在針對空間分集或空間多任務而最佳化的波束成形器(beamformer)中，每1個天線組件會同時發射2個數據符號的加權組合。此波束成形技術必須知道發射器通道特性，它會利用該項信息建立波束成形(預失真)矩陣，以作為發射器與接收器的前置和后置濾波器，從而達到容量增益目的。在此情況下，可能需要量測接收器的信道，并將信息傳回發射器。

妥善安排天線位置　減輕信道效應

無線信道在MIMO系統實作上扮演著不可或缺的角色，因此，徹底了解可能對其造成負面影響的任何效應便十分重要。空間分集和空間多任務可大幅提升系統效能，但前提是必須正確設定空間大小，以利用多徑環境的豐富特性。以空間分集來說，使用STC可達到的分集增益主要取決于通道分集階數，在每1對發射-接收天線間的信道必須獨立衰減，使信道分集階數等于發射與接收天線數目的乘積。如果在發射/接收天線對間的信道具高度相關性，則可達到的分集增益將相對有限。

在空間多任務的MIMO應用中，通道間相關性必須很低才行，不同的空間信號流只在適當信道環境下才會清楚地區分，為讓各對天線間的信道達到較低的相關性，通常必須妥善安排發射與接收天線位置。

雖空間分集和空間多任務…等技術可在面對通道效應時提供1個改善效能的方法，但卻無法徹底解決通道效應問題。這時可考慮以下幾種方案。比如在典型的2 x 2 MIMO配置中，可使用2個不同的SIMO信道仿真器進行仿真在發射與接收天線對間的4個不同通道。然而SIMO信道仿真器并不能提供MIMO通道間的正確相關，這在測試系統效能時是很重要的1項特性，因為在某種程度上真實的通道間都會有一些相關性。

工程人員可以選擇直接在「真實」的無線環境中進行測試，但通道非常的靈敏，既不可控制、也無法重復。另1種選擇是使用以軟件為主的工具來建立實際的MIMO通道，雖然此方法可提供RF與基頻功能是否正確運作的指針，此法卻相對耗時，亦無法產生實時結果。

安捷倫N5106A PXB MIMO接收器測試儀可仿真實際MIMO信道，利用數字信號處理技術復制真實的MIMO環境，在設計、開發與驗證的初期發現效能問題，亦可產生接近實際現況的衰減情境，包括路徑與信道相關性，減少實作成本，加快校驗過程。

圖說：3. Agilent N5106A MIMO接收器測試儀提供多達4個基頻產生器和8個信道衰減仿真器，可測試及除錯最大到4 x 2的MIMO系統。在此儀器中執行Signal Studio信號產生軟件，可提供符合最新標準的信號產生功能。

圖4是測試1個2 x 2 MIMO接收器的簡單配置圖。量測儀器連接2個RF信號產生器，以進行信號的升頻轉換(upconversion)。儀器內部的基頻產生器可產生符合標準的波形，例如，WiMAX、LTE和WLAN信號。這些基頻產生器透過軟件的圖形使用者接口，就能很容易地連接到通道衰減器。每個衰減器都可以分別利用符合標準的衰減模型，例如，WiMAX ITU Pedestrian B，或以各種路徑和衰減條件所自訂的模型進行設定。與獨立式衰減器相比，儀器的自動化功率校驗功能，可省去進行衰減時所需的繁