無線通信的未來始于今天的MIMO：WiMAX、HSPA+和LTE測(cè)試挑戰(zhàn)

通信市場(chǎng)和底層的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是在同一頻譜上提供更高的數(shù)據(jù)速率，以滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求。本文綜述了多入多出（MIMO）傳輸機(jī)制的底層標(biāo)準(zhǔn)，包括802.16e mobile-WiMAX Wave 2、HSPA+和LTE。其中涉及廣大工程師們?cè)谠O(shè)計(jì)基于多射頻/天線技術(shù)的產(chǎn)品時(shí)用到的MIMO信號(hào)發(fā)生、調(diào)制質(zhì)量測(cè)量、信道仿真和波束賦形理論。
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引言
MIMO技術(shù)將頻譜效率提升到了一個(gè)全新的水平，根據(jù)其采用的傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐率或者更大的覆蓋率。但是，頻譜效率的提高是以更高的復(fù)雜性為代價(jià)的。從概念上看，MIMO技術(shù)非常簡(jiǎn)單：它采用多路射頻載波傳輸更多的信息，通過在占用相同帶寬的同一信道上傳輸所有信號(hào)的方式來提高頻譜效率。例如，2×2的MIMO射頻具有兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器，4×4的MIMO具有4個(gè)發(fā)射器和4個(gè)接收器。
目前很多MIMO系統(tǒng)采用的都是2×2配置架構(gòu)，但是市場(chǎng)的發(fā)展將會(huì)出現(xiàn)更大規(guī)模的配置。WLAN、WiMAX和LTE已經(jīng)采用了4×4的配置架構(gòu)。目前人們研究的波束賦形技術(shù)旨在在設(shè)備內(nèi)配置更大規(guī)模的射頻系統(tǒng)，以便為用戶盡可能提供最多的服務(wù)。目前，8×8甚至16×16的射頻配置是商用寬帶射頻研究領(lǐng)域的主流。

MIMO理論
MIMO的工作原理是對(duì)傳輸信道進(jìn)行精確建模，將多個(gè)接收到的符號(hào)分解恢復(fù)成單路數(shù)據(jù)流。為了說明這一原理，我們不妨以WLAN 802.11n為例（如圖1所示）。發(fā)射器以一個(gè)報(bào)文頭的形式發(fā)出一個(gè)已知信號(hào)。接收器據(jù)此構(gòu)建一個(gè)信道模型，用H表示。當(dāng)發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，接收器根據(jù)信道模型盡可能逼近原始矢量，其中假設(shè)傳輸誤差用噪聲矢量（n）表示。

圖1 傳輸信道的原理

盡管信道建模理論適用于所有的MIMO系統(tǒng)，但是這一方法對(duì)于不同的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。例如，在基于WLAN 802.11n的系統(tǒng)中，報(bào)頭信息在TX1和TX2上都進(jìn)行發(fā)射，但是基于WiMAX 802.16e Wave 2的系統(tǒng)僅僅在第一個(gè)發(fā)射器上發(fā)射報(bào)頭。經(jīng)過解析的傳輸路徑（即h11和和h22）稱為空間流。

測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)
信道使信號(hào)發(fā)生失真有多種情況。例如，周圍物體的反射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的多個(gè)實(shí)例在不同的時(shí)間到達(dá)接收器（多路徑）。多路徑造成了幅值衰減以及時(shí)間和相位的延遲。從理論上，某個(gè)信號(hào)的信道失真越多，接收器算法就越難解析出原始發(fā)射信號(hào)。如果發(fā)射器或者接收器進(jìn)一步引入了幅值、時(shí)間和相位誤差，我們就無法對(duì)信道進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，就不能有效地解析出符號(hào)。

為了確保MIMO的測(cè)量有效而準(zhǔn)確，所采用的測(cè)量設(shè)備，即信號(hào)源（發(fā)射器）和分析儀（接收器），必須與它們本地的晶振進(jìn)行相位對(duì)準(zhǔn)，與參考頻率進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)，確保D/A和A/D抽樣率一致，以盡可能地減少它們對(duì)信道的影響。理想地，如果相位誤差低于1°，時(shí)間對(duì)準(zhǔn)誤差小于1ns，那么就可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

系統(tǒng)性能
調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)：對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)而言，衡量調(diào)制質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)是實(shí)際接收到的符號(hào)矢量（或符號(hào)相位與幅值失真）與接收器期望值的對(duì)比情況。最常用的是EVM（誤差矢量幅值），但是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)也存在不同的指標(biāo)，例如相對(duì)星誤差（Relative Constellation Error，RCE）。對(duì)于MIMO系統(tǒng)，總EVM也是一個(gè)很好的衡量指標(biāo)；通過計(jì)算RMS EVM可以從總體上表示各個(gè)發(fā)射器的調(diào)制質(zhì)量。

圖2(a) 信道行為建模

圖2(b) 衰減與矩陣條件

星圖：星圖是接收信號(hào)質(zhì)量的圖形化表示。MIMO系統(tǒng)有多種星圖。2×2系統(tǒng)有兩個(gè)星圖，表示兩個(gè)解析出的空間流：h11和h22。4×4系統(tǒng)有四個(gè)星圖。對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)，可以從星圖中得到同樣的質(zhì)量指標(biāo)，例如相位誤差、噪聲和IQ均衡。

信道響應(yīng)：信道響應(yīng)是表示空間流行為的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。在圖2(a)中，兩個(gè)發(fā)射器通過同軸電纜直接連接接收器。兩條平直的線表示h11和h22，而兩條像噪聲一樣的曲線表示h21和h12。這表明信道隔離度很高。在圖2(b)中，其中一條碼流引入了延遲。這在下面的OFDM符號(hào)中造成了大幅度的衰減。

通過使用天線——或者實(shí)現(xiàn)更定量的衡量，信道仿真器——有可能導(dǎo)出一個(gè)精確的信道模型。這能夠幫助人們?cè)谠O(shè)計(jì)發(fā)射器的時(shí)候以經(jīng)過校準(zhǔn)的接收器為基準(zhǔn)，判斷各種信道條件下信號(hào)傳輸是否是可靠的。同樣的，采用不同的信道模型也可以測(cè)試接收器。采用任意波形發(fā)生器或者實(shí)時(shí)信道仿真器將一定的信道失真加載到標(biāo)準(zhǔn)波形上，就可以產(chǎn)生這些信號(hào)。

由于MIMO系統(tǒng)的性能取決于信道的行為，因此必須使用多種不同的信道模型對(duì)發(fā)射器和接收器進(jìn)行測(cè)試——既包含預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)，也包含用戶定義的模型——確保設(shè)計(jì)能夠在各種環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。圖3給出了一種典型的配置。根據(jù)待測(cè)設(shè)備是發(fā)射器還是接收器，其中的2820型矢量信號(hào)分析儀（VSA）和2920型矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）可以被發(fā)射器或接收器所取代。

矩陣條件和奇異值：與EVM一樣，矩陣條件數(shù)也是表征發(fā)射器性能的一個(gè)很好的指標(biāo)。它實(shí)際上衡量的是每個(gè)空間流的正交情況。例如，如果采用電纜將VSA與發(fā)射器相連，那么矩陣條件應(yīng)該接近于一（即0dB）。如果不是這樣，那么發(fā)射器可能產(chǎn)生了一些流間干擾，原因可能來自于DSP內(nèi)的數(shù)學(xué)誤差或者射頻部分的問題。由于矩陣條件是最大奇異值的比，因此通過選擇奇異值測(cè)量就可以檢查每條碼流的奇異值。常用的測(cè)量方法是監(jiān)測(cè)矩陣條件數(shù)直到出現(xiàn)一個(gè)不正常的大值，然后轉(zhuǎn)而監(jiān)測(cè)真正的奇異值，得到矩陣的解。圖2(b)將信道響應(yīng)和矩陣條件做了對(duì)比。

碼流性能
我們可以通過多種方法分析各條發(fā)射碼流的性能。
測(cè)量一段時(shí)間：測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)的EVM、幅值或者頻率誤差能夠幫助我們找出與每路射頻的時(shí)間行為相關(guān)的問題。例如，某個(gè)射頻發(fā)射器FPGA中的一個(gè)毛刺可能導(dǎo)致EVM出現(xiàn)周期性的誤差。

圖3 WiMAX將所有合而為一

在基于正交頻分多路復(fù)用的并行符號(hào)傳輸方式下，時(shí)間增量通常是指OFDM符號(hào)周期（圖3的橫軸），每個(gè)時(shí)間增量包含成千上萬個(gè)符號(hào)。例如，WiMAX（802.16e）在每個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)能夠傳輸128～2048個(gè)符號(hào)。圖3的縱軸標(biāo)識(shí)為子信道（subchannel）。這些子信道并非真正的物理信道，而是每個(gè)OFDM符號(hào)周期內(nèi)傳輸?shù)某山M的并行符號(hào)。通過這類符號(hào)圖就可以定義802.16e信號(hào)是如何構(gòu)成的以及它的時(shí)間行為如何。
調(diào)制質(zhì)量頻率：測(cè)量EVM或幅值與頻率的關(guān)系能夠幫助我們找出帶內(nèi)問題，例如可能由射頻內(nèi)部的時(shí)鐘產(chǎn)生的低水平寄生干擾。

波束賦形
MIMO的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)——也是其最初的用途之一——就是能夠通過一種稱為波束賦形（beam forming）的過程將射頻能量定向到特定的用戶。很多商用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)都支持MIMO波束賦形或者閉環(huán)MIMO。雖然波束賦形的優(yōu)勢(shì)在于能夠?yàn)橛脩籼峁└蟮娜萘?，但是它增加了設(shè)備的復(fù)雜性，因?yàn)樾枰捎藐嚵惺降陌l(fā)射器、接收器和天線來控制發(fā)射信號(hào)的方向和形狀，這本身取決于信道環(huán)境。人們采用諸如信道聲探（channel sounding）之類的技術(shù)對(duì)信道建模，然后構(gòu)建出正確的碼流相位和幅值。測(cè)試設(shè)備需要擴(kuò)展到8×8的架構(gòu)，使其能夠控制每個(gè)信號(hào)源的相位和幅值，根據(jù)計(jì)算出的信道信息構(gòu)建所需的射頻發(fā)射碼型。

結(jié)束語
在從模擬傳輸技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字傳輸技術(shù)的過程中，MIMO是商用射頻技術(shù)最重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。所有下一代通信標(biāo)準(zhǔn)都是基于MIMO的，這為商用通信設(shè)備的設(shè)計(jì)者們提出了很多新的挑戰(zhàn)。隨著用戶需要越來越多的服務(wù)和越來越可靠的鏈接，MIMO系統(tǒng)將會(huì)圍繞諸如波束賦形之類的技術(shù)而向前發(fā)展，增加一臺(tái)設(shè)備中的發(fā)射器、接收器和天線數(shù)量。