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文檔簡介
1、diversity 分集天線 分集技術(shù) 移動通信網(wǎng)中如何保證信號傳輸鏈路的可靠性,是一項重要指標。為了達到這一目的,可以通過多種技術(shù)來實現(xiàn),從影響接收端信號功率的三個主要因素來分析:第一、自由空間的傳播損耗和彌散,這可通過加大發(fā)射機功率來改善;第二、地形起伏、建筑物及障礙物的遮擋引起的陰影衰落,這可通過“宏分集”技術(shù)來改善;第三、在傳輸路徑中各種物體產(chǎn)生的直射波、反射波和散射波的相互影響,即多徑衰落,以及多普勒頻移產(chǎn)生的損耗,這可通過“微分集”技術(shù)來改善。從以上的分析可以看出,分集技術(shù)對改善無線傳輸鏈路的性能可以起到很大的作用。
2、; 分集技術(shù)是指通過查找和利用自然界無線傳播環(huán)境中獨立的(至少是高度不相關(guān)的)多徑信號來實現(xiàn),簡單的說,如果一條無線傳播路徑中經(jīng)歷了深度衰落,而另一條相對獨立的路徑中可能仍包含著較強的信號,因此可以在多個信號中選擇兩個或更多的信號進行合并,這樣可以同時提高接收端的瞬時信噪比和平均信噪比,一般可提高20dB到30dB。分集技術(shù)是移動通信的一種抗衰落技術(shù),是一種用相對較低廉的投資就可以大幅度的改進無線鏈路性能的強有力的接收技術(shù)。分集技術(shù)就是利用兩個或更多的不相關(guān)信號進行處理,不相關(guān)信號的采集可以通過空域、時域和頻域三種方式實現(xiàn),具體的實現(xiàn)方法有以下幾種:
3、; 第一、空間分集。也稱天線分集,是移動通信中使用較多的分集形式,簡單的說,就是采用多付接收天線來接收信號,然后進行合并。為保證接收信號的不相關(guān)性,這就要求天線之間的距離足夠大,在理想情況下,接收天線之間的距離只要波長的一半就可以了。 第二、極化分集。在移動環(huán)境下,空中的水平路徑和垂直路徑是不相關(guān)的,因而信號也呈現(xiàn)不相關(guān)的衰落特性。這就可在發(fā)射和接收端各裝兩付天線,一個水平極化天線,一個垂直極化天線,這就可以得到兩個不相關(guān)的信號。這一技術(shù)在蜂窩移動用戶激增時,在改進鏈路的傳輸效率和提高容量方面有很明顯的效果。 第三、
4、角度分集。信號在傳輸過程中受環(huán)境的影響,使得到達接收的信號不可能是同方向的,這樣在接收端安裝方向性天線就可得到不相關(guān)的信號進行合并。 第四、頻率分集。理論上,不相關(guān)信道產(chǎn)生同樣衰落的概率是各自產(chǎn)生的衰落概率的乘積。頻率分集是指在多于一個載頻上傳送信號,其原理是基于在信道相干帶寬之外的頻率上不會出現(xiàn)同樣的衰落。這一技術(shù)比空間分集節(jié)省天線數(shù)目,缺點是不僅需要占用更多的頻譜資源,而且需要有和頻率分集中采用的頻道數(shù)相等的若干個接收機,但對于特殊業(yè)務(wù),這個費用也許是值得的。這一技術(shù)經(jīng)常用在頻分雙工(FDM)方式的視距微波鏈路中,在實際應(yīng)用中,有一種工作方式被稱作1:N保
5、護交換方式。 第五、時間分集。對于一個隨機衰落的信號,若對其振幅進行順序取樣,對時間間隔大于相干時間的兩個樣點是互不相關(guān)的。這一技術(shù)是指以超過信道相干時間的時間間隔重復(fù)發(fā)送信號,以便讓再次收到的信號有獨立的衰落環(huán)境,從而產(chǎn)生分集效果。時間分集的性能基本由移動臺的運動速度決定,也就是說決定于重復(fù)發(fā)送信號之間的衰落特性,若移動臺是靜止的,時間分集就失效了,因為相干時間是和移動臺的運動速度成反比的。實踐證明,當移動臺的運動速度大于40Km/h,時間分集能獲得很好的效果。這一技術(shù)已經(jīng)被大量應(yīng)用于擴頻CDMA的RAKE接收機中,以處理多徑信號。MIMO,MIMO是什么意
6、思,什么是MIMO無線通信技術(shù) MIMO(Multiple-Input Multiple-Out-put)系統(tǒng)是一項考慮用于802.11n的技術(shù)。802.11n是下一代802.11標準,可將吞吐量提高到100Mbps。同時,專有MIMO技術(shù)可改進已有802.11a/b/g網(wǎng)絡(luò)的性能。該技術(shù)最早是由Marconi于1908年提出的,它利用多天線來抑制信道衰落。根據(jù)收發(fā)兩端天線數(shù)量,相對于普通的SISO(Single-Input Single-Output)系統(tǒng),MIMO還可以包括SIMO(Single-Input Multi-ple
7、-Output)系統(tǒng)和MISO(Multiple-Input Single-Output)系統(tǒng)。 MIMO概述MIMO 表示多輸入多輸出。讀/maimo/或/mimo/,通常美國人前者,英國人讀后者,國際上研究這一領(lǐng)域的專家較多的都讀讀/maimo/。通常用于 IEEE 802.11n,但也可以用于其他 802.11 技術(shù)。MIMO 有時被稱作空間多樣,因為它使用多空間通道傳送和接收數(shù)據(jù)。只有站點(移動設(shè)備)或接入點(AP)支持 MIMO 時才能部署 MIMO。
8、 MIMO 的優(yōu)點是能夠增加無線范圍并提高性能。連接到老的 802.11g 接入點的 802.11n 站點能夠以更高的速度連接到更遠的距離。例如,如果使用老站點,從 25 英尺的距離連接到接入點的速度是 1Mbps;而使用 802.11n MIMO 時站點的速度為 2Mbps。增加到 2Mbps 的范圍,允許用戶在更遠的距離保持連接。 無線電發(fā)送的信號被反射時,會產(chǎn)生多份信號。每份信號都是一個空間流。使用單輸入單
9、輸出(SISO)的當前或老系統(tǒng)一次只能發(fā)送或接收一個空間流。MIMO 允許多個天線同時發(fā)送和接收多個空間流。它允許天線同時傳送和接收。 老接入點到老客戶端 - 只發(fā)送和接收一個空間流 MIMO 接入點到 MIMO 客戶端 - 同時發(fā)送和接收多個空間流可以看出,此時的信道容量隨著天線數(shù)量的增大而線性增大。也就是說可以利用MIMO信道成倍地提高無線信道容量,在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下,頻譜利用率可以成倍地提高
10、。 利用MIMO技術(shù)可以提高信道的容量,同時也可以提高信道的可靠性,降低誤碼率。前者是利用MIMO信道提供的空間復(fù)用增益,后者是利用MIMO信道提供的空間分集增益。實現(xiàn)空間復(fù)用增益的算法主要有貝爾實驗室的BLAST算法、ZF算法、MMSE算法、ML算法。ML算法具有很好的譯碼性能,但是復(fù)雜度比較大,對于實時性要求較高的無線通信不能滿足要求。ZF算法簡單容易實現(xiàn),但是對信道的信噪比要求較高。性能和復(fù)雜度最優(yōu)的就是BLAST算法。該算法實際上是使用ZF算法加上干擾刪除技術(shù)得出的。目前MIMO技術(shù)領(lǐng)域另一個研究熱點就是空時編碼。常見的空時碼有空時塊碼、空時格碼。空時
11、碼的主要思想是利用空間和時間上的編碼實現(xiàn)一定的空間分集和時間分集,從而降低信道誤碼率。 通常,多徑要引起衰落,因而被視為有害因素。然而研究結(jié)果表明,對于MIMO系統(tǒng)來說,多徑可以作為一個有利因素加以利用。MIMO系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多天線(或陣列天線)和多通道,MIMO的多入多出是針對多徑無線信道來說的。傳輸信息流s(k)經(jīng)過空時編碼形成N個信息子流ci(k),I=1,N。這N個子流由N個天線發(fā)射出去,經(jīng)空間信道后由M個接收天線接收。多天線接收機利用先進的空時編碼處理能夠分開并解碼這些數(shù)據(jù)子流,從而實現(xiàn)最佳的處理。
12、160; 特別是,這N個子流同時發(fā)送到信道,各發(fā)射信號占用同一頻帶,因而并未增加帶寬。若各發(fā)射接收天線間的通道響應(yīng)獨立,則多入多出系統(tǒng)可以創(chuàng)造多個并行空間信道。通過這些并行空間信道獨立地傳輸信息,數(shù)據(jù)率必然可以提高。 MIMO將多徑無線信道與發(fā)射、接收視為一個整體進行優(yōu)化,從而實現(xiàn)高的通信容量和頻譜利用率。這是一種近于最優(yōu)的空域時域聯(lián)合的分集和干擾對消處理。 系統(tǒng)容量是表征通信系統(tǒng)的最重要標志之一,表示了通信系統(tǒng)最大傳輸率。對于發(fā)射天線數(shù)為N,接收天線數(shù)為M的多入多出(MIMO)系統(tǒng),假定信道為獨立的瑞利衰落信道,并
13、設(shè)N、M很大,則信道容量C近似為:C=min(M,N)Blog2(/2) 其中B為信號帶寬,為接收端平均信噪比,min(M,N)為M,N的較小者。上式表明,功率和帶寬固定時,多入多出系統(tǒng)的最大容量或容量上限隨最小天線數(shù)的增加而線性增加。而在同樣條件下,在接收端或發(fā)射端采用多天線或天線陣列的普通智能天線系統(tǒng),其容量僅隨天線數(shù)的對數(shù)增加而增加。相對而言,多入多出對于提高無線通信系統(tǒng)的容量具有極大的潛力。 2、MIMO發(fā)展歷史 1990年代,全世界無線通信領(lǐng)域均針對多天線系統(tǒng)進行研究,希望實作出能指向接收者之波束成型技術(shù),亦即是所謂智
14、慧型天線 一種能使波束聰明地追蹤接收者(即移動電話)的技術(shù),如同有個人持著天線到處移動,就像一道自手電筒射出的光束可追蹤一位在黑暗中移動的人一樣。智慧型天線借由波束對其指向(亦即對目標接收者)的相長干涉(constructive interference)及同時間該波束對目標接收者指向以外其他方向之相消干涉(destructive interference)來增加信號增益,以實現(xiàn)上述智慧型天線的優(yōu)點,并對于此發(fā)送單位上的多天線間,采用一較窄的天線間距來實作此波束。一般以發(fā)送信號之一半波長作為實體的天線間距,以滿足空間上的采樣定理且避免旁瓣輻射(grat
15、ing lobes),亦即空間上的混疊。 波束成型技術(shù)的缺點乃是在都市的環(huán)境中,信號容易朝向建筑物或移動的車輛等目標分散,因而模糊其波束的集中特性(即相長干涉),喪失多數(shù)的信號增益及減少干擾的特性。然而此項缺點卻隨著空間分集及空間多工的技術(shù)在 1990 年代末的發(fā)展,而突然轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢。這些方法利用多徑(multipath propagation)現(xiàn)象來增加資料吞吐量、傳送距離,或減少比特錯誤率。這些型態(tài)的系統(tǒng)在選擇實體的天線間距時,通常以大于被發(fā)送信號的波長的距離為實作,以確保 MIMO 頻道間的低關(guān)聯(lián)性及高分集階數(shù)(div
16、ersity order)。12 3、MIMO 技術(shù) MIMO技術(shù)大致可以分為兩類:發(fā)射/接收分集和空間復(fù)用。傳統(tǒng)的多天線被用來增加分集度從而克服信道衰落。具有相同信息的信號通過不同的路徑被發(fā)送出去,在接收機端可以獲得數(shù)據(jù)符號多個獨立衰落的復(fù)制品,從而獲得更高的接收可靠性。舉例來說,在慢瑞利衰落信道中,使用1根發(fā)射天線n根接收天線,發(fā)送信號通過n個不同的路徑。如果各個天線之間的衰落是獨立的,可以獲得最大的分集增益為n,平均誤差概率可以減小到 ,單天線衰落信道的平均誤差概率為 。對于發(fā)射分集技術(shù)來說,同樣是利用多
17、條路徑的增益來提高系統(tǒng)的可靠性。在一個具有m根發(fā)射天線n根接收天線的系統(tǒng)中,如果天線對之間的路徑增益是獨立均勻分布的瑞利衰落,可以獲得的最大分集增益為mn。智能天線技術(shù)也是通過不同的發(fā)射天線來發(fā)送相同的數(shù)據(jù),形成指向某些用戶的賦形波束,從而有效的提高天線增益,降低用戶間的干擾。廣義上來說,智能天線技術(shù)也可以算一種天線分集技術(shù)。 分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落。相反,MIMO信道中的衰落特性可以提供額外的信息來增加通信中的自由度(degrees of freedom)。從本質(zhì)上來講,如果每對發(fā)送接收天線之間的衰落是獨立的,那么可以產(chǎn)
18、生多個并行的子信道。如果在這些并行的子信道上傳輸不同的信息流,可以提供傳輸數(shù)據(jù)速率,這被成為空間復(fù)用。需要特別指出的是在高SNR的情況下,傳輸速率是自由度受限的,此時對于m根發(fā)射天線n根接收天線,并且天線對之間是獨立均勻分布的瑞利衰落的。 根據(jù)子數(shù)據(jù)流與天線之間的對應(yīng)關(guān)系,空間多路復(fù)用系統(tǒng)大致分為三種模式:D-BLAST、V-BLAST以及T-BLAST。D-BLAST最先由貝爾實驗室的Gerard J. Foschini提出。原始數(shù)據(jù)被分為若干子流,每個子流之間分別進行編碼,但子流之間不共享信息比特,每一個子流與一根天線相對應(yīng)
19、,但是這種對應(yīng)關(guān)系周期性改變,如圖1.b所示,它的每一層在時間與空間上均呈對角線形狀,稱為D-BLAST(Diagonally- BLAST)。D-BLAST的好處是,使得所有層的數(shù)據(jù)可以通過不同的路徑發(fā)送到接收機端,提高了鏈路的可靠性。其主要缺點是,由于符號在空間與時間上呈對角線形狀,使得一部分空時單元被浪費,或者增加了傳輸數(shù)據(jù)的冗余。如圖1.b所示,在數(shù)據(jù)發(fā)送開始時,有一部分空時單元未被填入符號(對應(yīng)圖中右下角空白部分),為了保證D-BLAST的空時結(jié)構(gòu),在發(fā)送結(jié)束肯定也有一部分空時單元被浪費。如果采用burst模式的數(shù)字通信,并且一個burst的長度大于M(發(fā)送天線數(shù)目)個發(fā)送
20、時間間隔 ,那么burst的長度越小,這種浪費越嚴重。它的數(shù)據(jù)檢測需要一層一層的進行,如圖1.b所示:先檢測c0、c1和c2,然后a0、a1和a2,接著b0、b1和b2 另外一種簡化了的BLAST結(jié)構(gòu)同樣最先由貝爾實驗室提出。它采用一種直接的天線與層的對應(yīng)關(guān)系,即編碼后的第k個子流直接送到第k根天線,不進行數(shù)據(jù)流與天線之間對應(yīng)關(guān)系的周期改變。如圖1.c所示,它的數(shù)據(jù)流在時間與空間上為連續(xù)的垂直列向量,稱為V-BLAST(Vertical-BLAST)。由于V-BLAST中數(shù)據(jù)子流與天線之間只是簡單的對應(yīng)關(guān)系,因此在檢測過程中,只要知道數(shù)據(jù)
21、來自哪根天線即可以判斷其是哪一層的數(shù)據(jù),檢測過程簡單。 (圖1) 考慮到D-BLAST以及V-BALST模式的優(yōu)缺點,一種不同于D-DBLAST與V-BLAST的空時編碼結(jié)構(gòu)被提出:T-BLAST。等文獻分別提及這種結(jié)構(gòu)。它的層在空間與時間上呈螺紋(Threaded)狀分布,如圖2所示。原始數(shù)據(jù)流被多路分解為若干子流之后,每個子流被對應(yīng)的天線發(fā)送出去,并且這種對應(yīng)關(guān)系周期性改變,與D-BLAST系統(tǒng)不同的是,在發(fā)送的初始階段并不是只有一根天線進行發(fā)送,而是所有天線均進行發(fā)送,使得單從一個發(fā)送時間間隔 來看
22、,它的空時分布很像V-BALST,只不過在不同的時間間隔中,子數(shù)據(jù)流與天線的對應(yīng)關(guān)系周期性改變。更普通的T-BLAST結(jié)構(gòu)是這種對應(yīng)關(guān)系不是周期性改變,而是隨機改變。這樣T-BLAST不僅可以使得所有子流共享空間信道,而且沒有空時單元的浪費,并且可以使用V-BLAST檢測算法進行檢測。 4、MIMO 的研究狀況 在MIMO系統(tǒng)理論及性能研究方面已有一批文獻,這些文獻涉及相當廣泛的內(nèi)容。但是由于無線移動通信MIMO信道是一個時變、非平穩(wěn)多入多出系統(tǒng),尚有大量問題需要研究。比如說,各文獻大多假定信道為分段-恒定衰落信道。這對于寬帶信號的4G系統(tǒng)
23、及室外快速移動系統(tǒng)來說是不夠的,因此必須采用復(fù)雜的模型進行研究。已有不少文獻在進行這方面的工作,即對信道為頻率選擇性衰落和移動臺快速移動情況進行研究。再有,在基本文獻中,均假定接收機精確已知多徑信道參數(shù),為此,必須發(fā)送訓(xùn)練序列對接收機進行訓(xùn)練。但是若移動臺移動速度過快,就使得訓(xùn)練時間太短,這樣快速信道估計或盲處理就成為重要的研究內(nèi)容。 另外實驗系統(tǒng)是MIMO技術(shù)研究的重要一步。實際系統(tǒng)研究的一個重要問題是在移動終端實現(xiàn)多天線和多路接收,學(xué)者們正大力進行這方面的研究。由于移動終端設(shè)備要求體積小、重量輕、耗電小,因而還有大量工作要做。目前各大公司均在研
24、制實驗系統(tǒng)。 Bell實驗室的BLAST系統(tǒng)4是最早研制的MIMO實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作頻率為1.9GHz,發(fā)射8天線,接收12天線,采用D-BLAST算法。頻譜利用率達到了25.9bits/(Hzs)。但該系統(tǒng)僅對窄帶信號和室內(nèi)環(huán)境進行了研究,對于在3G、4G應(yīng)用尚有相當大距離。在發(fā)送端和接收端各設(shè)置多重天線,可以提供空間分集效應(yīng),克服電波衰落的不良影響。這是因為安排恰當?shù)亩喔碧炀€提供多個空間信道,不會全部同時受到衰落。在上述具體實驗系統(tǒng)中,每一基臺各設(shè)置2副發(fā)送天線和3副接收天線,而每一用戶終端各設(shè)置1副發(fā)送天線和3副接收天線,即下行通路設(shè)置2&
25、#215;3天線、上行通路設(shè)置1×3天線。這樣與“單輸入/單輸出天線”SISO相比,傳輸上取得了1020dB的好處,相應(yīng)地加大了系統(tǒng)容量。而且,基臺的兩副發(fā)送天線于必要時可以用來傳輸不同的數(shù)據(jù)信號,用戶傳送的數(shù)據(jù)速率可以加倍。 朗訊科技的貝爾實驗室分層的空時(BLAST)技術(shù)是移動通信方面領(lǐng)先的MIMO應(yīng)用技術(shù),是其智能天線的進一步發(fā)展。BLAST技術(shù)就其原理而言,是利用每對發(fā)送和接收天線上信號特有的“空間標識”,在接收端對其進行“恢復(fù)”。利用BLAST技術(shù),如同在原有頻段上建立了多個互不干擾、并行的子信道,并利用先進的多用戶檢測技術(shù),同
26、時準確高效地傳送用戶數(shù)據(jù),其結(jié)果是極大提高前向和反向鏈路容量。BLAST技術(shù)證明,在天線發(fā)送和接收端同時采用多天線陣,更能夠充分利用多徑傳播,達到“變廢為寶”的效果,提高系統(tǒng)容量。理論研究業(yè)已證明,采用BLAST技術(shù),系統(tǒng)頻譜效率可以隨天線個數(shù)成線性增長,也就是說,只要允許增加天線個數(shù),系統(tǒng)容量就能夠得到不斷提升。這也充分證明BLAST技術(shù)有著非常大的潛力。鑒于對于無線通信理論的突出貢獻,BLAST技術(shù)獲得了2002年度美國ThomasEdison(愛迪生)發(fā)明獎。 2002年10月,世界上第一顆BLAST芯片在朗訊公司貝爾實驗室問世,貝爾實驗室研
27、究小組設(shè)計小組宣布推出了業(yè)內(nèi)第一款結(jié)合了貝爾實驗室LayeredSpace Time (BLAST) MIMO技術(shù)的芯片,這一芯片支持最高4×4的天線布局,可處理的最高數(shù)據(jù)速率達到19.2Mbps。該技術(shù)用于移動通信,BLAST芯片使終端能夠在3G移動網(wǎng)絡(luò)中接收每秒19.2兆比特的數(shù)據(jù),現(xiàn)在,朗訊科技已經(jīng)開始將此BLAST芯片應(yīng)用到其Flexent OneBTS家族的系列基站中,同時還計劃授權(quán)終端制造商使用該BLAST芯片,以提高無線3G數(shù)據(jù)終端支持高速數(shù)據(jù)接入的能力。 2003年8月,AirgoN
28、etworks推出了AGN100Wi-Fi芯片組,并稱其是世界上第一款集成了多入多出(MIMO)技術(shù)的批量上市產(chǎn)品。AGN100使用該公司的多天線傳輸和接收技術(shù),將現(xiàn)在Wi-Fi速率提高到每信道108Mbps,同時保持與所有常用Wi-Fi標準的兼容性。該產(chǎn)品集成兩片芯片,包括一片Baseband/MAC芯片(AGN100BB)和一片RF芯片(AGN100RF),采用一種可伸縮結(jié)構(gòu),使制造商可以只使用一片RF芯片實現(xiàn)單天線系統(tǒng),或增加其他RF芯片提升性能。該芯片支持所有的802.11 a、b和g模式,包含IEEE 802.11工作組推出最新標準(包括TGi安全和TGe質(zhì)量的服
29、務(wù)功能)。 Airgo的芯片組和目前的Wi-Fi標準兼容,支持802.11a, "b,"和"g"模式,使用三個5-GHz和三個2.4-GHz天線,使用Airgo芯片組的無線設(shè)備可以和以前的802.11設(shè)備通訊,甚至可以在以54Mbps的速度和802.11a設(shè)備通訊的同時還可以以108Mbps的速度和Airgo的設(shè)備通訊。 5、MIMO 的 應(yīng)用 為了提高系統(tǒng)容量,下一代的無線寬帶移動通信系統(tǒng)將會采用MIMO技術(shù),即在基站端放置多個天線,
30、在移動臺也放置多個天線,基站和移動臺之間形成MIMO通信鏈路。應(yīng)用MIMO技術(shù)的無線寬帶移動通信系統(tǒng)從基站端的多天線放置方法上可以分為兩大類:一類是多個基站天線集中排列形成天線陣列,放置于覆蓋小區(qū),這一類可以稱為集中式MIMO;另一類是基站的多個天線分散放置在覆蓋小區(qū),可以稱為分布式MIMO。 MIMO技術(shù)可以比較簡單地直接應(yīng)用于傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng),將基站的單天線換為多個天線構(gòu)成的天線陣列?;就ㄟ^天線陣列與小區(qū)內(nèi)的具有多個天線的移動臺進行MIMO通信。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度看,這樣的MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單入單出(SISO)蜂窩通信系統(tǒng)相比并沒有根本的區(qū)別。 傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)可以克服大尺度衰落和陰影衰落造成的信道路徑損耗,能夠在小區(qū)內(nèi)形成良好的系統(tǒng)覆蓋,解決小區(qū)內(nèi)的通信死角,提高通信服務(wù)質(zhì)量。最近在MIMO技術(shù)的研究中發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)與MIMO技術(shù)相結(jié)合可以
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