七條MIMO運用和測量的關(guān)鍵問題介紹

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(rèn)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?a href="http://wenjunhu.com/soft/" target="_blank">宣傳資料（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。