由于MIMO技術(shù)可以提高頻譜效率，所以逐漸成為和OFDM組合的通用技術(shù)。第一個商用MIMO系統(tǒng)出現(xiàn)在WLAN中，但現(xiàn)在其應(yīng)用熱點已經(jīng)擴展到了包括WiMAX和LTE在內(nèi)的無線通訊領(lǐng)域。由于各種格式所采用的技術(shù)和術(shù)語稍有不同，因此有時會使人們難以確認正在討論的內(nèi)容。
MIMO技術(shù)的引入，即發(fā)射和接收路徑之間信號的相互耦合，打開了一個新的測量領(lǐng)域，在原先使用的單一信道測試上提出了新的性能測量需求。
本白皮書選自安捷倫“MIMO十大須知”中的一部分，其目的是讓用戶對MIMO技術(shù)的運用和測試方法有一個大概的了解。每一部分都會用實例來突出說明MIMO技術(shù)對于無線電系統(tǒng)或相關(guān)測試的影響?？蓮陌步輦惿暾埵箜氈男麄髻Y料(本白皮書的最后有訂購信息)。
須知一：空間復(fù)用技術(shù)至少需要兩個發(fā)射機和兩個接收機。兩個接收機應(yīng)設(shè)在相同位置。
一些多天線技術(shù)，比如發(fā)射及接收分集，有時也會用到“多入多出”一詞，但這些技術(shù)并不能直接增加無線鏈路的頻譜效率。而實際上，空間復(fù)用技術(shù)能夠在根本上增加系統(tǒng)容量，它與分集技術(shù)一樣重要，兩種技術(shù)經(jīng)常結(jié)合使用。所以移動臺可以只有兩個天線，基站可以配有四個天線。
參看圖1，空間復(fù)用的關(guān)鍵在于同時發(fā)射用戶數(shù)據(jù)的不同部分。當(dāng)信號通過包括天線在內(nèi)的無線電信道進行傳輸時，必然會出現(xiàn)一些相互耦合。
圖1：移動通信中非對稱MIMO的運用。
MIMO技術(shù)的巧妙之處就在于避免了發(fā)射信號的互相干擾，這就需要我們知道信號是如何耦合的。在這個過程中需要和發(fā)射機的數(shù)目一樣多的接收機，這也就引出了我們的第一項須知。
因為需要將原先分離發(fā)送的多路碼流(在3GPP LTE中稱為碼字)在接收端耦合恢復(fù)成原始信息，因此需要將多個接收機放在相同位置。
而對于信號后處理來說，由于測量軟件(如安捷倫89600 VSA)能夠組合來自多個輸入的IQ數(shù)據(jù)，然后進行信號分離和分析，所以不需限制將接收機硬件放置在相同位置。還有一種特殊情況，信號是通過電纜直接連接到分析儀，相互之間不會產(chǎn)生耦合，也就是直接映射。通過將單端口輸入分析儀輪流連接到各個發(fā)射機，就可以恢復(fù)每一路碼流。
如果被測試信號的幀與幀之間大體保持恒定，那么也可以用一個開關(guān)切換控制來捕獲各路信號。Agilent N4011A MIMO多端口轉(zhuǎn)接器即是WLAN中采用該技術(shù)的一個設(shè)備實例。
圖2：LTE中的不同MIMO信道訓(xùn)練子載波。
須知二：MIMO技術(shù)在無線通信系統(tǒng)下行鏈路和上行鏈路中的應(yīng)用是不同的。
在WLAN中上下行無線鏈路是對稱的，但是這一模型針對移動通信應(yīng)用發(fā)生了變化(如圖1所示)，比如互聯(lián)網(wǎng)下載業(yè)務(wù)要求下行鏈路的容量超過上行鏈路的容量。
WiMAX和LTE基站至少需要兩個發(fā)射機。在很多設(shè)計中擁有四個或更多的發(fā)射機，便于同時使用MIMO技術(shù)和發(fā)射分集或者相控陣波束賦形技術(shù)。所有支持MIMO的移動臺都有兩個接收機。接收分集非常有用，所以即使最初沒有MIMO技術(shù)，移動臺也可能會使用兩個接收機。
圖1中還顯示了將傳輸數(shù)據(jù)信號復(fù)用到碼流和層時的相關(guān)術(shù)語。用戶數(shù)據(jù)在發(fā)送時被分離成多路碼流。如果同時使用空間復(fù)用和分集技術(shù)，那么還需要進一步將碼流映射到層(如圖中灰色方塊所示)。如圖顯示了直接映射過程，發(fā)射之前兩路碼流不會故意進行耦合。
須知三：MIMO信號恢復(fù)過程由兩個階段組成。
在WLAN和WiMAX中，用戶傳輸數(shù)據(jù)被復(fù)用到多路碼流中時使用相同調(diào)制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中則可能對每一路碼流使用不同調(diào)制方式。因此信道恢復(fù)與數(shù)據(jù)恢復(fù)之間有明顯區(qū)別，這是有關(guān)MIMO的另一個基本原理。
MIMO信號在通過信道傳輸時會相互耦合，在對各路碼流進行解調(diào)之前，必須對這些信號進行分離。為此，接收機需要知道不同發(fā)射機的信道訓(xùn)練信息，這種信道訓(xùn)練機制被稱為“非盲”。
在WiMAX和LTE信號中都有信道訓(xùn)練部分。不同發(fā)射機使用不同的信道估計子載波，使所有發(fā)射機的信道估計子載波都不會在相同時間使用相同的頻率。802.11n最初也曾考慮使用此方法，但是最終采用了正交碼來區(qū)分發(fā)射機。
圖2給出LTE發(fā)射機兩路信號的頻譜圖，并放大了一段訓(xùn)練符號頻譜分量?？梢郧逦乜闯?，LTE參考信號(RS)子載波使用的頻率不同。和WiMAX中的導(dǎo)頻有一點不同，LTE的參考信號每三個或四個符號才發(fā)射一次。所有子載波的功率都是相同的，并且它們的相位和時間關(guān)系也是已知的，因此可以創(chuàng)建一個矢量方式來表示信道，它可以提供用于分離各路碼流的系數(shù)。
須知四：相位差對開環(huán)MIMO沒有影響。
開環(huán)MIMO是指發(fā)射信號是直接映射的，沒有使用信道反饋對信號進行耦合(預(yù)編碼)。
換句話說，只有對不同信號耦合兩次時，相位才有影響，正如兩個不同頻率的連續(xù)波信號發(fā)生耦合，這樣可以更容易理解。第一次合成信號時，兩個信號間可能具有已知相位關(guān)系，也可能沒有，這并不要緊;兩個分量的振幅和相位并不會受到影響。然而，如果再次對它們進行耦合，兩個信號間將存在相同部分，并將作為矢量求和。結(jié)果，振幅和相位將會發(fā)生變化，這種變化取決于初始相位和耦合因子的組合，結(jié)果甚至完全抵消。
這個簡單的矢量相加例子說明了為什么開環(huán)MIMO不會受發(fā)射信號或接收信號相位的影響。這是因為在開環(huán)MIMO中，發(fā)射信號沒有被再次耦合，信號只在信道中被耦合了一次。這還可以解釋為什么上行MIMO使用兩個位置不同的移動臺時仍然可以正常工作。順便指出，在這種情況下不能應(yīng)用預(yù)編碼，一方面是因為輸入數(shù)據(jù)只對每個移動臺自身有效，另一方面也是因為無法控制兩個移動臺之間的相位關(guān)系。
圖3是一個上行多用戶(協(xié)作)MIMO(MU-MIMO)測試的配置。虛線表示在實際系統(tǒng)中發(fā)生的過程，由基站控制各移動臺的發(fā)射定時和功率，使各信號到達基站接收機時得以對準(zhǔn)。各移動臺根據(jù)基站的參考信號調(diào)整自己的頻率。在測試中還可以使用電纜，并對定時、功率及頻率偏移施加其它類型的干擾，用以驗證接收機算法是否具有足夠的魯棒性。
須知四：可使用單端口輸入分析儀進行交叉信道測量。
多數(shù)工程師開始時都采用單輸入測量，不僅因為其測量簡單，而且該測量還可利用已有設(shè)備提供大量有關(guān)射頻器件工作狀態(tài)的基本信息。在LTE和WiMAX中，存在用于MIMO信道訓(xùn)練的子載波，使用單輸入分析儀的測量也非常重要。
圖3：上行鏈路的多用戶(協(xié)作)MIMO需要系統(tǒng)具有對功率、頻率和定時對準(zhǔn)的處理能力。圖中所示的Agilent MXG帶有基于Signal Studio軟件的測試配置，可以分別改變以上參數(shù)。
信道隔離度作為解調(diào)過程測試的一部分，可以很容易被測量出來。這里假設(shè)信號在發(fā)射機里沒有發(fā)生串?dāng)_。在LTE中，沒有對參考信號進行預(yù)編碼，即使應(yīng)用了預(yù)編碼，信道隔離度也不會對測量產(chǎn)生影響。而WLAN和WiMAX使用了直接映射方式。
采用發(fā)射分集的信號只需要使用一個接收機，所有只需要單端口輸入分析儀就可對其進行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信號也可以分別進行分析，雖然不可能完全去掉多余的串?dāng)_。將單輸入分析儀依次接到各個發(fā)射機輸出端，就可以進行相應(yīng)的碼流分析。
使用單輸入分析儀可完成最精確的射頻相位和定時測量。如果利用功率合成器將多個輸入饋送到單輸入分析儀，如圖4所示，對信號進行解調(diào)并將符號對準(zhǔn)后，得到相對定時及射頻相位測量值。這一方法完全消除了附加設(shè)備的影響，測量分辨率分別達到次納秒級和度。
DL2×1 STC(時空碼)或2×2 MIMO
2個發(fā)射機 功率合成器 信號分析儀 發(fā)射信號通過功率合成器后進行解調(diào)，恢復(fù)定時和相位關(guān)系
圖4：使用單端口輸入的MXA頻譜分析儀和功率合成器進行交叉信道的射頻頻率和相位測量。
須知五：天線配置對信道路徑相關(guān)具有顯著影響。
在對接收機進行靜態(tài)信道驗證之后，可以使用諸如安捷倫新推出的PXB MIMO接收機測試儀，添加例如步行或車載速度模型的各種衰落，進行進一步驗證。如前所述，信道中包括發(fā)射機天線和接收機天線。人們已經(jīng)投入了大量精力，來研究如何建立天線配置變化對路徑相關(guān)影響的模型。
如果只是為了進行證明，可以僅選取一些天線配置，但是如果為了設(shè)計或進行更徹底的性能比較，則應(yīng)當(dāng)使用更廣泛的方案進行性能評估，這一點非常重要。使用Agilent PXB MIMO接收機測試儀(圖5)可提供用戶所需的靈活配置，并可計算各天線路徑的相關(guān)因子。
圖5：安捷倫的N5106A PXB MIMO接收機測試儀。
須知六：MIMO對載噪比的要求高于SISO。
在特定的信道環(huán)境中，信道容量將隨著發(fā)射-接收對的數(shù)量呈線性增加，因此相對于SISO，MIMO能夠得到更高的頻譜效率。但是這是有代價的。在比較SISO和MIMO的性能時，首先要求所有發(fā)射信號具有相同功率。對于采用直接映射的MIMO信號，這相當(dāng)于要求每個MIMO發(fā)射機的載噪比(CNR)至少要提高3dB，以獲得相同的解調(diào)性能。如圖6中左側(cè)軸的文字所述。
如圖6所示，由于MIMO信道引入了相互耦合，從左至右隨著MIMO信道矩陣條件數(shù)的增大，所需的載噪比逐漸提高。矩陣條件數(shù)是一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)概念，表示特定MIMO信道容量的潛在增加。與本文相關(guān)的宣傳資料中提供了關(guān)于如何計算矩陣條件數(shù)的詳細信息。
同相(0°)耦合是MIMO接收機測試的第一步，這一步如同單信道靈敏度測試，它將驗證訓(xùn)練信號中包含噪聲時信道的恢復(fù)狀況。當(dāng)存在大量耦合時，由于處理精度不足在接收機信道估計時產(chǎn)生大量誤差，將導(dǎo)致接收機性能比預(yù)期的下降更快。更進一步的測試是在耦合中增加延遲，即在OFDMA子載波中引入成比例的相位變化。
例如：一個信道條件數(shù)為10dB的MIMO信號的CNR要求比SISO信號大約高7dB，才能達到相同的BER。當(dāng)然，MIMO信號承載2倍于SISO的數(shù)據(jù)量。
圖6：結(jié)果表明MIMO需要比SISO更高的載噪比。
如圖6所示，在Agilent 89600 VSA上顯示呈V字型的EVM軌跡，表示在OFDM信號中的時延。在該實例中，首先調(diào)整了信號幅度，確?？吹綔y量噪聲，使得EVM(RCE)值上升。通過圖5下面的中間及右邊兩張軌跡圖可以清楚地看到隨著條件數(shù)變差EVM上升的對應(yīng)關(guān)系。
須知七：一個器件的失真將影響到所有耦合碼流。
在直接映射中測量是針對各個發(fā)射機輸出端分別進行的，由模擬器件(如放大器或混頻器)產(chǎn)生的失真只會影響到它所處理的這一路碼字(流)。但是，如果數(shù)據(jù)信號經(jīng)過預(yù)編碼，比如使用LTE中碼本1或碼本2預(yù)編碼，所有碼字將共用模擬器件，那么任何一個模擬器件的失真都將影響到所有碼流。
為了產(chǎn)生圖7中的測量結(jié)果，可對一個MIMO信號使用LTE碼本1的1，1，1，-1進行預(yù)編碼，或者對該信號采用WLAN的空間擴展方式。然后對其中一個接收機放大器的增益進行調(diào)整，直到ADC產(chǎn)生限幅。
左列是去除耦合前的兩路信號。此處可以看到由于相關(guān)干擾造成的一種非正常的MIMO測量結(jié)果。QPSK顯示為一個3×3的星座，被稱之為“星座的星座”。盡管如此，也可以看出，在下面一路信號上，帶有上面那一路信號所沒有的某種失真。
中間一列中兩個信號已經(jīng)分開，均為QPSK信號，但是需要注意，這兩個信號都帶有失真，而在前面信號中有一個并沒有失真。最后，右邊一列顯示了一組發(fā)射分集信號，饋送過程中其中一個發(fā)射機有失真。需要注意的一點是，兩個信號顯示都沒有失真。這表明僅僅測量完全解碼的分集信號會掩蓋物理硬件所帶來的問題。
圖7：在左列中可以看到一個信道分量的失真只影響下面的軌跡。中間一列的空間復(fù)用信號則顯示兩個數(shù)據(jù)流都有失真。右列的跡線表明當(dāng)采用分集技術(shù)而不是空間復(fù)用時，失真將被消去。
本文小結(jié)
對于無線電工程師來說，MIMO是對現(xiàn)有發(fā)射技術(shù)的有益補充。本文介紹了MIMO運用和測量的關(guān)鍵問題，安捷倫設(shè)計及測試方案可以幫助您確保接收機和發(fā)射機能夠正常工作。
下載文檔
