無線MIMO測(cè)試開發(fā)策略

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，會(huì)受到衰減和延遲的影響。因?yàn)閭鬏斅窂降牟煌?，這些反射信號(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。

該等式指出了MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線數(shù)量與信道容量的直接關(guān)系。一個(gè)MIMO系統(tǒng)在同一物理信道上利用空間復(fù)用技術(shù)用多天線傳輸多路數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流在不改變符號(hào)速率的情況下在多個(gè)發(fā)射機(jī)上進(jìn)行發(fā)送。通過增加更多的發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線，系統(tǒng)的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。

為MIMO系統(tǒng)建模必須考慮多數(shù)據(jù)流的數(shù)量，包括到達(dá)接收機(jī)的直接和反射信號(hào)。按照傳統(tǒng)的方法，將發(fā)射器分別表示為Tx1，Tx2，…，Txn，將接收機(jī)表示為Rx1，Rx2，…，Rxn，一個(gè)MIMO通信系統(tǒng)可由一個(gè)矩陣信號(hào)向量hxy的形式表示，其中x表示發(fā)射機(jī)的數(shù)量，y表示接收機(jī)的數(shù)量。例如，h21表示兩個(gè)發(fā)射機(jī)和一個(gè)接收機(jī)，而h22表示兩個(gè)發(fā)射機(jī)和兩個(gè)接收機(jī)（如圖2所示）。通過這種方法，一個(gè)MIMO信道可以這樣建模：

y=H*x+n
式中：y為接收信號(hào)向量，H為信道矩陣(hxy信號(hào)元素)，x為發(fā)射信號(hào)向量，n為噪聲向量。

圖2 MIMO系統(tǒng)中的無線信道可由一系列不同的向量來表示

不同的信道對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生影響，例如，衰減和多經(jīng)影響，可由同樣的代數(shù)方程矯正，關(guān)系式為

Rx=H*Tx+n
式中：Rx表示接收天線的Rx1，Rx2，…，Rxn矩陣，Tx表示發(fā)射天線的Tx1,Tx2，…，Txn矩陣。對(duì)于一個(gè)2×2 MIMO系統(tǒng)，關(guān)系如圖2的矩陣。

這些關(guān)系式中的信號(hào)包含幅段、頻率和相位分量，所以用向量表示很實(shí)用。簡單而言，在一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中用向量來表示這些信號(hào)也很實(shí)用。

測(cè)量挑戰(zhàn)
MIMO技術(shù)在數(shù)據(jù)吞吐量上的提高，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，為評(píng)估MIMO系統(tǒng)和系統(tǒng)中元器件的測(cè)試和測(cè)量設(shè)備帶來新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在決定最佳的MIMO測(cè)量儀器之前，也許有必要先確定一個(gè)描述MIMO通信信道性能的測(cè)量類型。MIMO測(cè)量一般可以分為系統(tǒng)級(jí)測(cè)量、信道響應(yīng)測(cè)量和MIMO系統(tǒng)中使用的元器件的功能性測(cè)量。

已經(jīng)說明了MIMO信號(hào)由頻率、幅度和相應(yīng)的相位分量定義，對(duì)MIMO信號(hào)的測(cè)量必須對(duì)以上三個(gè)信號(hào)特征分量進(jìn)行精確和真實(shí)的測(cè)定。另外MIMO系統(tǒng)通常是基于對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行零中頻(zero-IF)下變頻到基帶I、Q信號(hào)分量的系統(tǒng)。要得到高的調(diào)制精度，必須保持I、Q信號(hào)分量的保真度，這需要信號(hào)路徑所有的部件具有高性能和低失真，包括放大器、濾波器、混頻器、I/Q調(diào)制和解調(diào)器等部件。

在許多無線系統(tǒng)中，誤差向量幅度(EVM)是評(píng)估性能的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并在MIMO系統(tǒng)中廣泛采用。EVM，通常被認(rèn)為是接收信號(hào)星座圖的誤差(RCE)，因?yàn)樵谛亲鶊D中RCE得到了直觀的顯示，RCE實(shí)際上就是理想信號(hào)和測(cè)量信號(hào)的向量差，并可以作為MIMO發(fā)射機(jī)調(diào)制精度和信號(hào)質(zhì)量和接收機(jī)性能的直接測(cè)量。EVM測(cè)量捕獲了信號(hào)幅度和相位誤差并將定義傳輸?shù)?a href="http://wenjunhu.com/tongxin/rf/" target="_blank">RF信號(hào)失真的許多參數(shù)減少到一個(gè)參數(shù)，允許各個(gè)發(fā)射機(jī)之間的比較。其他重要的MIMO發(fā)射機(jī)測(cè)試包括群延時(shí)的評(píng)估和群延時(shí)的變化，相位噪聲，放大壓縮和信號(hào)處理中分量的I/Q失配。由以上因素引起的信號(hào)失真一般都可以通過星座圖上的EVM看出來。

在星座圖EVM中，對(duì)于理想的信號(hào)，所有星座點(diǎn)應(yīng)該與理想的位置精確重合。但信號(hào)和分量并不完美，諸如相位噪聲和載波泄露等因素會(huì)讓星座圖上的星座點(diǎn)從理想位置偏移。EVM即是這個(gè)偏移的測(cè)量，除了整體EVM作為MIMO系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)，EVM作為頻率和EVM作為時(shí)間功能也能提供MIMO發(fā)射機(jī)性能的分析。另外，EVM顯示的載波和符號(hào)的對(duì)比可以提供MIMO發(fā)射機(jī)性能的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。

星座圖EVM上精確的點(diǎn)的定位顯示了一個(gè)優(yōu)秀的MIMO系統(tǒng)的性能。在一個(gè)采用OFDM和64QAM的2×2 MIMO系統(tǒng)中，采用顏色來區(qū)別不同的發(fā)射機(jī)信號(hào)和導(dǎo)頻載波。在圖3所示的星座圖中，紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)表示了2×2 MIMO系統(tǒng)中的兩路信號(hào)，Tx0和Tx1，它們覆蓋在白點(diǎn)上，白點(diǎn)代表了子載波理想的位置。黃點(diǎn)代表了導(dǎo)頻載波，與表示理想導(dǎo)頻載波的白點(diǎn)重合。

圖3 EVM星座圖提供潛在MIMO系統(tǒng)問題的示意圖，這些問題包括噪聲（模糊的圓點(diǎn)），I/O不平衡（偏移的圓點(diǎn)）和相位噪聲（圓點(diǎn)變成了圓環(huán)）

這樣的顏色定義的圖表讓發(fā)射信號(hào)問題的定位十分簡單。例如，紅色或藍(lán)色的子載波星座點(diǎn)如果從理想的白色點(diǎn)偏移就表示I/Q不平衡，而星座點(diǎn)出現(xiàn)模糊則表示傳輸信號(hào)有噪聲，星座點(diǎn)呈現(xiàn)圓環(huán)狀則意味著過多的相位噪聲。

與更為常見的X-Y坐標(biāo)圖一起，信道的一系列測(cè)量顯示了MIMO系統(tǒng)中相對(duì)子載波的標(biāo)圖矩陣和信號(hào)矩陣的健康程度。圖4中對(duì)信道翻轉(zhuǎn)和符號(hào)傳輸?shù)南到y(tǒng)能力的測(cè)量，可以用來確定MIMO系統(tǒng)中各個(gè)信號(hào)流的正交性。通過傳輸反轉(zhuǎn)的符號(hào)，系統(tǒng)的覆蓋性可以得到分析，通過傳輸并行的符號(hào)，系統(tǒng)吞吐量可以得到評(píng)估。

圖4 X-Y圖示表明了MIMO信道子載波的正交性，標(biāo)示了子載波的情況

信道響應(yīng)測(cè)量顯示了子載波的平坦度，這是子載波。例如一個(gè)IEEE 802.16e OFDM信道上的測(cè)量（如圖5所示），綠色的軌跡顯示了信號(hào)從第一個(gè)發(fā)射機(jī)（Tx0）到第一個(gè)接收機(jī)（Rx0）的功率；上面的紅色軌跡顯示了信號(hào)從第二個(gè)發(fā)射機(jī)（Tx1）到第二個(gè)接收機(jī)（Rx1）的功率；藍(lán)色軌跡顯示了信號(hào)從第一個(gè)發(fā)射機(jī)（Tx0）到第二個(gè)接收機(jī)（Rx1）的功率；下面的紅色軌跡顯示了信號(hào)從第二個(gè)發(fā)射機(jī)（Tx1）到第一個(gè)接收機(jī)（Rx0）的功率。對(duì)應(yīng)子載波的功率電平指出了信道平坦度，主要信號(hào)和間接信號(hào)的區(qū)別顯示了信道隔離（圖例中小于40dB）。這些測(cè)量通過直接將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)用同軸電纜連接來進(jìn)行。

圖5通過直接連接MIMO的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，可評(píng)估信道平坦度和信道隔離度，示例中為一個(gè)2×2 MIMO系統(tǒng)

一系列針對(duì)時(shí)域和頻域的測(cè)量可以顯示出MIMO性能在不同的情況下會(huì)改變。例如，對(duì)應(yīng)OFDM符號(hào)時(shí)間的EVM測(cè)量可以指出隨著時(shí)間變化的干擾問題或性能變化。對(duì)應(yīng)子載波的EVM測(cè)量可以用來分析帶內(nèi)噪聲效應(yīng)，例如，假信號(hào)。針對(duì)OFDM符號(hào)時(shí)間的功率測(cè)量可分離出帶內(nèi)幅度偏差。針對(duì)OFDM符號(hào)時(shí)間的頻率測(cè)量可以用來檢查頻率精度，分離出一個(gè)信息包內(nèi)一段時(shí)間的頻率漂移問題。

硬件構(gòu)造
針對(duì)MIMO測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng)必須精確地模擬MIMO系統(tǒng)的工作，可以產(chǎn)生需要的信號(hào)頻率、幅度和相位，可以在測(cè)試設(shè)備（DUT）中捕獲和分析信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)必須支持采用的調(diào)制格式，并支持測(cè)試中的所有調(diào)制帶寬。對(duì)于測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生過程，一個(gè)任意波形發(fā)生器或者矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）需要提供對(duì)產(chǎn)生實(shí)際測(cè)試信號(hào)的控制，而一臺(tái)矢量信號(hào)分析儀（VSA）可以作為測(cè)試接收機(jī)。為MIMO系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一切測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該能提供配對(duì)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)數(shù)量需要的測(cè)試信號(hào)源數(shù)量和信號(hào)分析儀數(shù)量，還應(yīng)該能滿足以后的升級(jí)需求。例如，吉時(shí)利公司提供的MIMO測(cè)試系統(tǒng)可從單一VSG和VSA升級(jí)到8×8信道系統(tǒng)，并可以靈活的對(duì)信號(hào)源和分析儀在那個(gè)范圍里面進(jìn)行配置。

如果多個(gè)信號(hào)源和分析儀的同步是MIMO測(cè)量中最基本的，那么這些儀器還需要一個(gè)普通的參考示波器。例如，在圖6所示的吉時(shí)利公司(www.keithley.com)的2×2 MIMO測(cè)量系統(tǒng)中，VSA和VSG設(shè)備需要專門的同步組件。這些組件提供一些通用的信號(hào)，例如，本地振蕩、通用時(shí)鐘和精確觸發(fā)，提供低的采樣和RF載波相位抖動(dòng)，這對(duì)于OFDM MIMO信號(hào)的精確和可重復(fù)測(cè)量是非常必要的。特別的，同步組件提供低于1°的峰峰值抖動(dòng)。

圖6 這個(gè)MIMO測(cè)試系統(tǒng)基于多通道向量信號(hào)發(fā)生器（VSG），向量信號(hào)分析儀（VSA），和由計(jì)算機(jī)控制工作的同步組件和客戶定制測(cè)量軟件

MIMO測(cè)試系統(tǒng)的有效和簡單使用也要同時(shí)依靠系統(tǒng)的測(cè)試軟件。隨著MIMO技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的不斷采用，實(shí)用測(cè)試軟件(off-the-shelf test software)在簡單化系統(tǒng)和信道測(cè)量中得到普遍采用。例如，吉時(shí)利公司的SignalMeisterRF通信測(cè)試工具包軟件Model 290101，提供了諸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO應(yīng)用的復(fù)雜信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)分析能力。這個(gè)軟件包與吉時(shí)利公司的VSG、VSA和MIMO同步組件無縫配合，為復(fù)雜的通信系統(tǒng)組建了一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng)。除了EVM和MIMO信道響應(yīng)測(cè)量，該軟件還可以應(yīng)對(duì)SISO系統(tǒng)的評(píng)估。

我們目前討論的測(cè)試和測(cè)量可以用來評(píng)估理想狀態(tài)下MIMO通信系統(tǒng)和系統(tǒng)中元器件的性能。不過在信號(hào)較弱的情況下MIMO系統(tǒng)的表現(xiàn)又該如何呢？在這種情況下，需要不同種類的測(cè)試類型，例如，信道模擬器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系統(tǒng)和元器件的分析方法，這些削弱包括信號(hào)衰減、高斯白噪聲(AWGN)、信道串?dāng)_、甚至多普勒效應(yīng)——通常由車內(nèi)通信終端針對(duì)基站的移動(dòng)產(chǎn)生。

信道模擬器必須作為MIMO系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，還必須具備削弱信號(hào)和增加延時(shí)等模擬真實(shí)世界環(huán)境的能力。一個(gè)合格的信道模擬器還提供軟件定義無線電模組，例如，WiMAX中的ITU M.1225 A和B。一個(gè)實(shí)用的信道模擬器必須超越被測(cè)系統(tǒng)的性能，并提供需要時(shí)用于生產(chǎn)測(cè)試的能力。模擬器還需要具有雙向功能，這樣既可以提供上行鏈路測(cè)試還能提供下行測(cè)試。通過另外提供互易校準(zhǔn)測(cè)試（calibrated reciprocal tests），模擬器對(duì)于采用波束成形技術(shù)的MIMO系統(tǒng)測(cè)試非常有用。最后，盡管本文舉的例子是針對(duì)2×2 MIMO系統(tǒng)的，但一個(gè)有效的信道模擬器還能支持4×4 MIMO系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)各種MIMO系統(tǒng)的完整支持。例如，Azimuth系統(tǒng)公司的ACE 400WB信道模擬器就是一個(gè)支持4×4 MIMO系統(tǒng)測(cè)試的雙向組件。