無線通信的未來始于今天的MIMO：WiMAX、HSPA+和L

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

通信市場和底層的語音和數(shù)據(jù)服務技術的發(fā)展趨勢是在同一頻譜上提供更高的數(shù)據(jù)速率，以滿足日益增長的用戶需求。本文綜述了多入多出（MIMO）傳輸機制的底層標準，包括802.16e mobile-WiMAX Wave 2、HSPA+和LTE。其中涉及廣大工程師們在設計基于多射頻/天線技術的產品時用到的MIMO信號發(fā)生、調制質量測量、信道仿真和波束賦形理論。
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引言
MIMO技術將頻譜效率提升到了一個全新的水平，根據(jù)其采用的傳輸技術，能夠實現(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雜性為代價的。從概念上看，MIMO技術非常簡單：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的方式來提高頻譜效率。例如，2×2的MIMO射頻具有兩個發(fā)射器和兩個接收器，4×4的MIMO具有4個發(fā)射器和4個接收器。
目前很多MIMO系統(tǒng)采用的都是2×2配置架構，但是市場的發(fā)展將會出現(xiàn)更大規(guī)模的配置。WLAN、WiMAX和LTE已經采用了4×4的配置架構。目前人們研究的波束賦形技術旨在在設備內配置更大規(guī)模的射頻系統(tǒng)，以便為用戶盡可能提供最多的服務。目前，8×8甚至16×16的射頻配置是商用寬帶射頻研究領域的主流。

MIMO理論
MIMO的工作原理是對傳輸信道進行精確建模，將多個接收到的符號分解恢復成單路數(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)射器以一個報文頭的形式發(fā)出一個已知信號。接收器據(jù)此構建一個信道模型，用H表示。當發(fā)出數(shù)據(jù)時，接收器根據(jù)信道模型盡可能逼近原始矢量，其中假設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)，但是這一方法對于不同的標準是不同的。例如，在基于WLAN 802.11n的系統(tǒng)中，報頭信息在TX1和TX2上都進行發(fā)射，但是基于WiMAX 802.16e Wave 2的系統(tǒng)僅僅在第一個發(fā)射器上發(fā)射報頭。經過解析的傳輸路徑（即h11和和h22）稱為空間流。

測量系統(tǒng)的時間對準
信道使信號發(fā)生失真有多種情況。例如，周圍物體的反射會導致信號的多個實例在不同的時間到達接收器（多路徑）。多路徑造成了幅值衰減以及時間和相位的延遲。從理論上，某個信號的信道失真越多，接收器算法就越難解析出原始發(fā)射信號。如果發(fā)射器或者接收器進一步引入了幅值、時間和相位誤差，我們就無法對信道進行準確的建模，就不能有效地解析出符號。

為了確保MIMO的測量有效而準確，所采用的測量設備，即信號源（發(fā)射器）和分析儀（接收器），必須與它們本地的晶振進行相位對準，與參考頻率進行時間對準，確保D/A和A/D抽樣率一致，以盡可能地減少它們對信道的影響。理想地，如果相位誤差低于1°，時間對準誤差小于1ns，那么就可以得到準確的結果。

系統(tǒng)性能
調制質量指標：對于大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)而言，衡量調制質量的關鍵指標是實際接收到的符號矢量（或符號相位與幅值失真）與接收器期望值的對比情況。最常用的是EVM（誤差矢量幅值），但是不同的通信標準也存在不同的指標，例如相對星誤差（Relative Constellation Error，RCE）。對于MIMO系統(tǒng)，總EVM也是一個很好的衡量指標；通過計算RMS EVM可以從總體上表示各個發(fā)射器的調制質量。

圖2(a) 信道行為建模

圖2(b) 衰減與矩陣條件

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

信道響應：信道響應是表示空間流行為的一個關鍵指標。在圖2(a)中，兩個發(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符號中造成了大幅度的衰減。

通過使用天線——或者實現(xiàn)更定量的衡量，信道仿真器——有可能導出一個精確的信道模型。這能夠幫助人們在設計發(fā)射器的時候以經過校準的接收器為基準，判斷各種信道條件下信號傳輸是否是可靠的。同樣的，采用不同的信道模型也可以測試接收器。采用任意波形發(fā)生器或者實時信道仿真器將一定的信道失真加載到標準波形上，就可以產生這些信號。

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發(fā)射器和接收器進行測試——既包含預定義的標準，也包含用戶定義的模型——確保設計能夠在各種環(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)待測設備是發(fā)射器還是接收器，其中的2820型矢量信號分析儀（VSA）和2920型矢量信號發(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)射器性能的一個很好的指標。它實際上衡量的是每個空間流的正交情況。例如，如果采用電纜將VSA與發(fā)射器相連，那么矩陣條件應該接近于一（即0dB）。如果不是這樣，那么發(fā)射器可能產生了一些流間干擾，原因可能來自于DSP內的數(shù)學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量就可以檢查每條碼流的奇異值。常用的測量方法是監(jiān)測矩陣條件數(shù)直到出現(xiàn)一個不正常的大值，然后轉而監(jiān)測真正的奇異值，得到矩陣的解。圖2(b)將信道響應和矩陣條件做了對比。

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。
測量一段時間：測量一段時間內的EVM、幅值或者頻率誤差能夠幫助我們找出與每路射頻的時間行為相關的問題。例如，某個射頻發(fā)射器FPGA中的一個毛刺可能導致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用的并行符號傳輸方式下，時間增量通常是指OFDM符號周期（圖3的橫軸），每個時間增量包含成千上萬個符號。例如，WiMAX（802.16e）在每個OFDM符號周期內能夠傳輸128～2048個符號。圖3的縱軸標識為子信道（subchannel）。這些子信道并非真正的物理信道，而是每個OFDM符號周期內傳輸?shù)某山M的并行符號。通過這類符號圖就可以定義802.16e信號是如何構成的以及它的時間行為如何。
調制質量頻率：測量EVM或幅值與頻率的關系能夠幫助我們找出帶內問題，例如可能由射頻內部的時鐘產生的低水平寄生干擾。

波束賦形
MIMO的一個重要優(yōu)勢——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)的標準都支持MIMO波束賦形或者閉環(huán)MIMO。雖然波束賦形的優(yōu)勢在于能夠為用戶提供更大的容量，但是它增加了設備的復雜性，因為需要采用陣列式的發(fā)射器、接收器和天線來控制發(fā)射信號的方向和形狀，這本身取決于信道環(huán)境。人們采用諸如信道聲探（channel sounding）之類的技術對信道建模，然后構建出正確的碼流相位和幅值。測試設備需要擴展到8×8的架構，使其能夠控制每個信號源的相位和幅值，根據(jù)計算出的信道信息構建所需的射頻發(fā)射碼型。

結束語
在從模擬傳輸技術轉向數(shù)字傳輸技術的過程中，MIMO是商用射頻技術最重要的發(fā)展趨勢之一。所有下一代通信標準都是基于MIMO的，這為商用通信設備的設計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和越來越可靠的鏈接，MIMO系統(tǒng)將會圍繞諸如波束賦形之類的技術而向前發(fā)展，增加一臺設備中的發(fā)射器、接收器和天線數(shù)量。