WiMAX Wave2的雙信道MIMO測量

WiMAX Wave 2規(guī)范目前支持使用多個(gè)天線，以同時(shí)改善下行鏈路和上行鏈路的系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)的單路輸入單路輸出（SISO）實(shí)施方案相比，多路輸入多路輸出（MIMO）配置的系統(tǒng)具有更高的頻譜使用效率，因此數(shù)據(jù)速率更高。對這些高級 WiMAX 系統(tǒng)進(jìn)行表征和故障診斷，通常需要使用具有信道估算功能的雙信道信號分析儀、“矩陣解碼器”和OFDM解調(diào)器。

矩陣A和矩陣B配置

在 WiMAX Wave 2系統(tǒng)下行鏈路發(fā)射端工作的多天線實(shí)施有空時(shí)編碼（STC）—矩陣A和MIMO—矩陣B兩種方案。圖1為2x1 STC 和2x2 MIMO的典型下行鏈路配置。

在矩陣A（STC）實(shí)施中，信道可以建模成兩條路徑，這兩條路徑將基站（BS）的兩個(gè)發(fā)射天線連接到移動(dòng)站（MS）上的一個(gè)接收天線。每條信號路徑都可用一個(gè)唯一的信道系數(shù)“hx”來表示。每個(gè)系數(shù)代表各個(gè)發(fā)射－接收天線對之間所有路徑的（假設(shè)為線性）集合，還可能包括在發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生的信道間串?dāng)_以及在無線信道中出現(xiàn)的無數(shù)個(gè)多路徑信號。另外使用每個(gè)天線在不同時(shí)刻、以同一頻率發(fā)射同一信號的不同編碼版本，可以改善信號接收質(zhì)量。這種技術(shù)就是空間分集技術(shù)，矩陣 A 配置實(shí)施的就是這種技術(shù)。

與之不同，矩陣B（MIMO）系統(tǒng)使用每個(gè)天線同時(shí)在同一頻率信道上發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。圖1中所示的矩陣B配置，在無噪聲系統(tǒng)中測得的接收信號為：

假設(shè)四個(gè)信道系數(shù)已知，矩陣B接收機(jī)就能使用下面的簡化方法來辨別并恢復(fù)發(fā)射的波形。

這些方程也可用矩陣形式來表示：

矩陣解碼器的功能就是執(zhí)行信道矩陣[H]的求逆運(yùn)算和相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而將最初發(fā)射的數(shù)據(jù)流進(jìn)行恢復(fù)并將這些信息傳輸?shù)浇庹{(diào)器。注意，矩陣解碼與解調(diào)是相互獨(dú)立的，矩陣解碼要先于解調(diào)之前完成。

當(dāng)信道系數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)時(shí)，實(shí)際的WiMAX 接收機(jī)可以使用其固有的分解或MMSE技術(shù)[參考文獻(xiàn)1]來進(jìn)行真實(shí)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。如上所述，數(shù)據(jù)恢復(fù)需要知道信道系數(shù)，信道系數(shù)的值可由接收機(jī)或雙信道信號分析儀使用WiMAX OFDM 波形[參考文獻(xiàn)2]中包含的獨(dú)一無二的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)來測出。精確的矩陣解碼取決于信道系數(shù)的獨(dú)立程度，并且它還會(huì)進(jìn)一步受到信道中噪聲數(shù)量的影響，這一點(diǎn)非常重要。當(dāng)信道矩陣變成“病態(tài)矩陣”并且很難進(jìn)行精確的倒數(shù)運(yùn)算時(shí)，相關(guān)的信道系數(shù)和/或噪聲便會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

在上行鏈路中，MIMO可通過在同一頻率信道上工作的兩個(gè)獨(dú)立移動(dòng)站（手機(jī)）之間協(xié)調(diào)一致的同步傳輸來實(shí)施。這種技術(shù)稱為上行鏈路協(xié)同空間多路復(fù)用（UL-CSM）技術(shù)，為了實(shí)施 2x2 MIMO，該技術(shù)在基站上使用了兩個(gè)或更多的接收天線，并在每個(gè)移動(dòng)站上使用一個(gè)天線 [參考文獻(xiàn)2]。在這種配置中，MIMO的實(shí)施僅限于上行鏈路。DL-MIMO要求每個(gè)移動(dòng)站有兩個(gè)天線和接收機(jī)信道。

信道估算、矩陣解碼和解調(diào)

矩陣A波形和矩陣B波形的信號分析和故障診斷可使用單路輸入或多路輸入的矢量信號分析儀（VSA）來完成。許多基本測量，例如STC或MIMO發(fā)射機(jī)中的信道間串?dāng)_和定時(shí)，都可通過將單路輸入分析儀直接連接到選定的發(fā)射機(jī)輸出端口來完成[參考文獻(xiàn)3]。當(dāng)發(fā)射信號具有良好的隔離度時(shí)，這種單路輸入的方法非常有用，此時(shí)無需使用矩陣解碼器對波形進(jìn)行解調(diào)。某些測試程序，如WiMAX Wave 2 配置文件中定義的射頻一致性測試（RCT），規(guī)定了在可能出現(xiàn)串?dāng)_以及不使用矩陣解碼器的情況下，對發(fā)射機(jī)信號質(zhì)量的單信道測量。遺憾的是，在系統(tǒng)優(yōu)化和故障診斷過程中，這種基本測量對于分析眾多信號誤差的根本原因幾乎沒有什么作用。在這種情況下，要想找出誤差的根源，常常需要將使用與不使用矩陣解碼器進(jìn)行測量的結(jié)果進(jìn)行比較。在矩陣A系統(tǒng)中，可使用單信道VSA對使用和不使用解碼器兩種情況進(jìn)行測試。在矩陣B 和UL-CSM系統(tǒng)中，一般需要使用雙信道VSA來對這些日益復(fù)雜的波形進(jìn)行全面分析。

圖2所示是一個(gè)典型的具有WiMAX MIMO測量功能的雙信道VS（如帶有選件B7Y的Agilent 89600系列分析儀）的測量流程。在矩陣B配置中，MIMO信號分析從估算復(fù)雜的信道系數(shù)開始，這些系數(shù)可通過對在兩個(gè)輸入信號接收到的大量已知導(dǎo)頻子載波進(jìn)行測量而得到，如圖中的 Rx0和Rx1所示。這四個(gè)信道系數(shù)將作為子載波頻率的函數(shù)來顯示，在對MIMO系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和故障診斷時(shí)，這些系數(shù)是一個(gè)非常有用的分析工具。估算出來的信道系數(shù)主要被矩陣解碼器用來恢復(fù)2x2 MIMO信號中的兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。矩陣解碼器的作用是抵消信道效應(yīng)，而不是執(zhí)行數(shù)據(jù)解調(diào)。如圖2所示，矩陣B數(shù)據(jù)流經(jīng)過恢復(fù)之后，然后傳輸?shù)絆FDM解調(diào)器進(jìn)行進(jìn)一步的信號分析。

如上所述，當(dāng)直接連接到發(fā)射機(jī)端口時(shí)，基本解調(diào)無需使用矩陣解碼器。此外，圖2還顯示了兩條繞開矩陣解碼器的測量路徑。在這個(gè)配置中，信道特征是利用前導(dǎo)碼、導(dǎo)頻和/或相關(guān)的數(shù)據(jù)子載波中包含的信息來估算出來的。這些信道響應(yīng)可能會(huì)包含發(fā)射機(jī)和信道串?dāng)_，并且這些響應(yīng)可能會(huì)和在嵌入式MIMO導(dǎo)頻中提取出來的MIMO信道系數(shù)有所不同。作為解調(diào)過程的一部分，這些信道響應(yīng)可用來均衡波形（使波形的頻率響應(yīng)變平），對WiMAX波形的故障診斷非常有用。然而，這兩個(gè)測得的信道響應(yīng)卻無法包含足夠的信道信息來進(jìn)行矩陣解碼。

矩陣A使用VSA進(jìn)行信號分析的路徑和矩陣B配置相同，只是它需要一個(gè)單信道分析儀。表 1 為使用單路輸入解決方案和雙路輸入解決方案（如 Agilent 89600 系列VSA）來測試矩陣A和矩陣B波形的典型測量配置的簡單列表。該表不但列出了矩陣解碼器對OFDM解調(diào)結(jié)果的影響，還顯示了當(dāng)選擇VSA上的均衡器和MIMO信道頻率響應(yīng)時(shí)所顯示的信道系數(shù)。

探索信號損耗情況

圖3是使用雙信道VSA測量一對仿真矩陣B波形得到的結(jié)果。在本例中，可以看到使用與不使用矩陣解碼器對發(fā)射機(jī)信道間巨大串?dāng)_的影響。左圖是一部分解調(diào)IQ星座圖，其中放大了一個(gè)導(dǎo)頻和一個(gè)數(shù)據(jù)符號點(diǎn)以顯示細(xì)節(jié)。在矩陣解碼器關(guān)閉時(shí)，如左上圖所示，由于其他發(fā)射信道會(huì)以-29dB 的相對電平耦合進(jìn)這個(gè)測量中，因此數(shù)據(jù)星座圖中會(huì)有一個(gè)擴(kuò)頻。這種高度的串?dāng)_將會(huì)導(dǎo)致2.9%的相對星座圖誤差（RCE）。僅這種串?dāng)_誤差已經(jīng)足以使RCT達(dá)不到 WiMAX Wave 2波形的要求。本圖的右上角還顯示了相關(guān)的誤差矢量頻譜：OFDM誤差－子載波頻率關(guān)系圖。本測量圖是對系統(tǒng)中的定時(shí)誤差進(jìn)行故障診斷的絕佳工具，下一實(shí)例也將使用此圖。

圖3下半部的圖形為啟用矩陣解碼器時(shí)的測量結(jié)果。矩陣解碼器可以使用四個(gè)（在2x2 MIMO中）信道估算來抵消串?dāng)_效應(yīng)。在矩陣解碼器抵消串?dāng)_之后，RCE得以改善到小于 0.05%，誤差矢量頻率和數(shù)據(jù)星座圖均可反應(yīng)出這種差異。注意，該導(dǎo)頻的星座圖點(diǎn)并不會(huì)受到串?dāng)_或矩陣解碼器的影響。導(dǎo)頻不會(huì)在時(shí)間和頻率上重疊，這樣導(dǎo)頻星座圖點(diǎn)就不會(huì)擴(kuò)散，導(dǎo)頻就能用來測量兩個(gè)發(fā)射信道之間的串?dāng)_電平。

盡管在RCT 試中沒有使用，但矩陣解碼器仍是一個(gè)出色的故障診斷工具，能夠測量并去除串?dāng)_（串?dāng)_可能掩蓋其他信號減損）。例如，圖 4 所示矩陣解碼器是如何抵消串?dāng)_以揭示系統(tǒng)中出現(xiàn)的符號定時(shí)誤差。此前，上圖為具有29dB串?dāng)_電平的信號的星座圖和誤差矢量頻譜。在沒有使用矩陣解碼器之前，誤差頻譜主要由串?dāng)_決定，這使其很難看到波形中的定時(shí)誤差。在啟用矩陣解碼器時(shí)，測量中的串?dāng)_得以抵消，并能輕松觀察到定時(shí)誤差。在右下端的測量中，誤差頻譜顯示出我們熟悉的“V”型，那是符號定時(shí)誤差的特征 [參考文獻(xiàn)4]。

信道頻率響應(yīng)測量

均衡器和MIMO信道響應(yīng)是表征矩陣A和矩陣B波形的另外兩個(gè)有用的診斷工具。這些響應(yīng)的幅度和形狀可在解調(diào)之前使用戶深入理解所接收波形的質(zhì)量。例如眾所周知，MIMO系統(tǒng)在路徑眾多的環(huán)境中工作時(shí)，信道系數(shù)之間的相關(guān)性較低，從而接收機(jī)一端能夠更好地還原數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)信道系數(shù)之間的相關(guān)性較高時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)迅速降低。圖5是兩個(gè)不同MIMO 信道測得信道系數(shù)的幅度，一個(gè)信道的系數(shù)相關(guān)性較高（左），另一個(gè)信道的系數(shù)相關(guān)性較低（右）。這兩個(gè)測量均啟用了矩陣解碼器。在高相關(guān)性實(shí)例中，這一對系數(shù)具有相同的復(fù)雜頻率響應(yīng)，系統(tǒng)性能可能會(huì)降低。如下圖中的插圖所示，測得的64-QAM星座圖顯示出高度的信號失真。作為對比，右上角的測量顯示的是具有較低相關(guān)性的測得信道系數(shù)。在本例中，這些系數(shù)具有不同的頻率響應(yīng)，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)恢復(fù)過程的改進(jìn)，這一點(diǎn)如圖中右下角的測量星座圖所示。

條件數(shù)

另一個(gè)非常有效的故障診斷工具是“MIMO 條件數(shù)”，它是通過對信道矩陣[H]進(jìn)行特征值分解，獲得每個(gè)子載波的最大奇數(shù)值與最小奇數(shù)值之比計(jì)算出來的。它能夠測量接收機(jī)中不合格的矩陣是什么樣的。該比值常用對數(shù)標(biāo)尺來顯示，狀態(tài)良好的矩陣的奇數(shù)值的理想比值為1 dB或0dB。作為綜合指南，當(dāng)信號的條件數(shù)大于其信噪比時(shí)，矩陣解碼器將不能有效地區(qū)分信號，解調(diào)性能將會(huì)很差。這一點(diǎn)可在圖5中左下角的條件數(shù)響應(yīng)中輕松看出。在這種情況下，條件數(shù)會(huì)接近或大于20dB，而且解調(diào)后的星座圖將會(huì)很差。與之相比，右圖所示的條件數(shù)通常低于10dB，相關(guān)的星座圖也有顯著改善。

無論WiMAX Wave 2系統(tǒng)是使用矩陣A配置還是使用矩陣B配置，通過充分利用無線環(huán)境中的大量多路徑特性，都能極大地提升系統(tǒng)性能。在這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、故障診斷和優(yōu)化過程中，多種雙信道測量可為這些系統(tǒng)的操作和性能提供必要的深入分析。

參考文獻(xiàn)

[1] WiMAX System Evaluation Methodology，2.1 版，2008 年 7 月 7 日。

[2] 安捷倫在線研討會(huì)，“WiMAX Wave 2 Testing - MIMO & STC”，2008 年 1 月 17 日。

[3] “Matrix A and B re-measured; Single channel measurements for WiMAX Wave 2 reduce the need for multi-channel analysis”，WiMAX 日報(bào)，2008 年6 月 18 日。

[4] Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs，安捷倫應(yīng)用指南 1313，5968-3578E。