無線MIMO測(cè)試開發(fā)策略

引言

有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務(wù)的需求為通信領(lǐng)域新技術(shù)的采用開辟了道路，這些非傳統(tǒng)技術(shù)有效提升了數(shù)據(jù)容量。新采用的這些技術(shù)中的一種就是利用多天線設(shè)計(jì)的多輸入、多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)。MIMO利用了發(fā)送和接收天線之間的空間分集技術(shù)——由信號(hào)衰落和多徑環(huán)境引起的多信號(hào)路徑產(chǎn)生——來增加數(shù)據(jù)吞吐量而無須額外的增加帶寬。但相比傳統(tǒng)的單流架構(gòu)MIMO，系統(tǒng)復(fù)雜度增加了許多，帶來了更大的測(cè)試挑戰(zhàn)，需要獨(dú)特的設(shè)備和測(cè)試方法。

本文介紹了MIMO測(cè)量的不同種類，包括噪聲和干擾對(duì)于信道的損害，并提供一些圖片示例方便大家對(duì)于測(cè)量結(jié)果的理解。

對(duì)于新近的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，高數(shù)據(jù)吞吐量是最基本的要求，這些新標(biāo)準(zhǔn)MIMO都有參與，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移動(dòng)WiMAX Wave 2和3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）。這些新系統(tǒng)都結(jié)合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實(shí)現(xiàn)在不增加信道帶寬的前提下增加數(shù)據(jù)吞吐量。

SISO與MIMO比較

在傳統(tǒng)的單輸入、單輸出（SISO）通信系統(tǒng)中（如圖1a所示），例如，傳統(tǒng)的IEEE 802.11a/b/g無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）系統(tǒng)，一個(gè)無線鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會(huì)在每個(gè)通信鏈路終端上采用多個(gè)天線，但在同一時(shí)刻只有一套天線被采用，并只有一個(gè)載波傳輸單流的數(shù)據(jù)。在理想的通信信道中，無線信號(hào)從發(fā)射器到接收器只通過單一路徑傳輸，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動(dòng)影響產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，因此，接收器會(huì)接收到多個(gè)信號(hào)。反射的信號(hào)由于相比直接傳輸?shù)男盘?hào)傳播路徑更長(zhǎng)，會(huì)受到衰減和延遲的影響。因?yàn)閭鬏斅窂降牟煌@些反射信號(hào)的相位也各不相同。因此，接收機(jī)信號(hào)的重建面臨難度，會(huì)造成接收信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)。較強(qiáng)的多徑效應(yīng)會(huì)降低吞吐量或者造成數(shù)據(jù)丟失。

圖1 傳統(tǒng)的SISO架構(gòu)的無線信號(hào)鏈路（a），采用一對(duì)天線在同一時(shí)間進(jìn)行發(fā)射和接收而MIMO系統(tǒng)（b）同時(shí)采用多信號(hào)和多天線

因?yàn)樵谥付ㄍㄐ判诺乐校琌FDM通常與MIMO進(jìn)行組合來增強(qiáng)數(shù)據(jù)吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的。例如，OFDM在 IEEE 802.11g (Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統(tǒng)中得到了采用。在MIMO的基礎(chǔ)上，采用OFDM可以進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)吞吐量，而無須增加帶寬或改變調(diào)制階數(shù)——比如從16QAM變成 64QAM系統(tǒng)。

采用OFDM調(diào)制的無線信號(hào)本質(zhì)上是由一系列相互正交的子載波構(gòu)成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個(gè)調(diào)制后的子載波處于最大功率時(shí)，其臨近調(diào)制后子載波正好處于過零點(diǎn)或功率最小處，而一些子載波作為保護(hù)頻帶來實(shí)現(xiàn)隔離并防止臨近信道干擾。為了增強(qiáng)魯棒性，許多通信標(biāo)準(zhǔn)采用的 OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號(hào)分量隨時(shí)間衰減，這樣這些信號(hào)就不會(huì)對(duì)下一個(gè)接收機(jī)收到的傳輸符號(hào)產(chǎn)生干擾。

通過采用反向傅里葉變換對(duì)OFDM的子載波進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，可將其結(jié)合到一個(gè)信號(hào)流里面?zhèn)鬏敳⒖苫謴?fù)原信號(hào)。因?yàn)楸Ａ舳嗔餍盘?hào)的相對(duì)相位和頻率關(guān)系，這些信號(hào)流就可以并行的在單一信道傳輸，所以就可以實(shí)現(xiàn)在不增加帶寬的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量。

與SISO通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)（圖1b）同時(shí)采用多無線信號(hào)和多天線，多個(gè)數(shù)據(jù)流在同一通信信道傳輸。這些多路的數(shù)據(jù)流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進(jìn)行協(xié)調(diào)。MIMO系統(tǒng)不需要天線的對(duì)稱排列，例如，兩個(gè)發(fā)射要配備兩個(gè)接收（2×2）或者四個(gè)發(fā)射要配備四個(gè)接收（4×4），可以進(jìn)行“不平衡”配置，例如四個(gè)發(fā)射配備三個(gè)接收的4×3配置。

要增加SISO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，需要更為復(fù)雜的調(diào)制方式，或者增加帶寬，或進(jìn)行兩者的結(jié)合。加倍SISO系統(tǒng)吞吐量最簡(jiǎn)單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統(tǒng)的吞吐量，發(fā)射器、接收器和相應(yīng)天線的數(shù)量需要增加。通過采用多天線和信號(hào)傳播路徑的空間多路技術(shù)，MIMO系統(tǒng)可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。

MIMO系統(tǒng)利用接收信號(hào)的變更來增加數(shù)據(jù)吞吐量，接收到的信號(hào)被看作未知信號(hào)（發(fā)送的符號(hào)）的聯(lián)立方程。多路信號(hào)路徑的多樣性變化讓這些聯(lián)立方程解決的更加簡(jiǎn)單，并提升了吞吐量。

SISO的信道容量與MIMO系統(tǒng)相比如何呢？香農(nóng)定律指明了SISO通信系統(tǒng)的信道吞吐量為

C=BLog2(1+S/N)

式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號(hào)功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）。當(dāng)該公式用于MIMO應(yīng)用時(shí)：

C=ABlog2(1+S/N)

式中：A為發(fā)射天線的數(shù)量。