基于3G MIMO技術(shù)的實(shí)現挑戰與解決方案

　　波束賦形

　　在空間分集和空間復用中，通常認為發(fā)射機不了解信道信息。當發(fā)射機具備信道信息時(shí)，可改善系統性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味著(zhù)發(fā)射機已知信道矩陣。部分信息可能指的是瞬時(shí)信道的某些參數（例如矩陣信道的條件數）或統計特性（例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性）。圖 4 顯示了使用信道信息的預編碼框架。發(fā)射信號（S0，S1）與預編碼相乘，這可以解釋為波束賦形。經(jīng)過(guò)預編碼之后，兩個(gè)分離的數據流可從兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)同時(shí)發(fā)送，作為空間復用，但是矩陣編碼器將根據信道信息發(fā)生變化。假設發(fā)射機已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣，則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預編碼矩陣，以?xún)?yōu)化遍歷容量。將 2 X 2 預編碼矩陣表示為 W，則符碼周期 t1 內的發(fā)射符碼為：

　　同樣，可以使用預編碼矩陣表示發(fā)射符碼 x2 和 x3。在這個(gè)預編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線(xiàn)對的數量成正比。

　　MIMO 性能的信道依賴(lài)性

　　對于無(wú)線(xiàn)通信系統來(lái)說(shuō)，信道是關(guān)鍵因素，它決定系統的性能。例如，通過(guò)損耗和衰落可導致信號幅度衰減，多徑可導致符碼間干擾。雖然 MIMO 開(kāi)辟了一個(gè)新維度空間可以極大地提高性能，但是分集或容量增益是否能夠真正實(shí)現依賴(lài)于信道特性。在 STBC 應用中，是否能夠達到分集增益取決于信道分集階數。只有當每個(gè)發(fā)射接收天線(xiàn)對之間具有獨立衰落通道時(shí)，信道分集階數才等于發(fā)射和接收天線(xiàn)的數量。這意味著(zhù)如果發(fā)射接收天線(xiàn)對之間的信道具有高相關(guān)特性，則可以獲得的分集增益將非常有限?？臻g復用應用還要求信道獨立特性。只有在最佳信道條件下，不同的空間信號流才能夠被很好地分離，這就是說(shuō)發(fā)射接收天線(xiàn)對之間的信道具有低相關(guān)特性。

　　MIMO 性能測試中的挑戰

　　隨著(zhù) MIMO 系統發(fā)射機/接收機單元的增加，產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)的復雜程度也在迅速增加，這也給 MIMO 性能測試帶來(lái)了挑戰。如上所述，MIMO 的性能取決于信道，為了研究不同信道條件下的接收機性能，必須使用 MIMO 信道。在早期設計和驗證周期內，直接在真實(shí)的無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境中進(jìn)行測試并不是一種有效方法。這非常耗時(shí)，由于信道敏感和多變，重復生成研究問(wèn)題是非常困難的。使用軟件生成信道系數是另一種選擇，但也并非理想方法。因為發(fā)射信號的系數生成和卷積運算過(guò)程是極為耗時(shí)和占用資源的，所以只使用軟件來(lái)仿真信道行為在實(shí)時(shí)測試中是不可行的。另外，信道模型變得越來(lái)越復雜，不同的通信標準要求使用不同的信道模型和測試環(huán)境。重復生成所有這些信道模型和測試環(huán)境將加重設計工程師的負擔，而且耗時(shí)的測試將減緩故障診斷過(guò)程和開(kāi)發(fā)周期。因此，專(zhuān)業(yè)的 MIMO 信道仿真器是這些工程師加快工作進(jìn)程的關(guān)鍵工具。

　　MIMO 信道仿真器使用功能強大的數字信號處理技術(shù)可以重復生成設定的、真實(shí)的信道環(huán)境，這使工程師能夠在早期部署和設計驗證階段隔離性能問(wèn)題，并為元器件或系統的全面故障診斷提供最快速的方法。目前的 SISO 信道仿真器無(wú)法有效地解決 MIMO 性能測試問(wèn)題。首先，每臺接收機需要對不同發(fā)射機的信號流進(jìn)行求和運算；第二，多級并聯(lián) SISO 信道仿真器無(wú)法仿真不同信道的相關(guān)特性，而這是 MIMO 信道的一個(gè)重要特點(diǎn)；第三，滿(mǎn)足所需的信道數量要求對于 SISO 信道仿真器來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰。

　　可仿真真實(shí) MIMO 信道的專(zhuān)業(yè)儀器為應對這些復雜的測試條件提供了最佳解決方案。信道仿真器（例如 N5106A PXB MIMO 接收機測試儀）使用功能強大的數字處理技術(shù)可以重復生成真實(shí)的 MIMO 條件，從而能夠在設計、部署和驗證周期早期快速隔離性能問(wèn)題。信道仿真器還具有一個(gè)優(yōu)勢，它可以生成真實(shí)的衰落環(huán)境，包括路徑和信道相關(guān)性，具有更低的實(shí)施成本和更快的校準流程。

　　圖 5. Agilent N5106A MIMO 接收機測試儀可提供多達 4 個(gè)基帶發(fā)生器和 8 個(gè)衰落器，這有助于對高達 4x2 MIMO 的系統進(jìn)行測試和故障診斷。Agilent Signal Studio 信號生成軟件在該測試儀上運行，并為工程師提供最新的標準一致性信號生成功能。

　　圖 6 顯示了測試 2x2 MIMO 接收機的簡(jiǎn)化配置圖。該測量?jì)x器與兩個(gè)用于信號上變頻的射頻信號發(fā)生器相連，儀器內部基帶發(fā)生器生成標準一致性波形，例如 LTE 信號。通過(guò)軟件的圖形化界面用戶(hù)可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對應關(guān)系。每臺衰落器能夠使用標準一致性衰落模型進(jìn)行獨立配置，如 使用3GPP LTE 標準 36.101 Annex B，或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型。與獨立的衰落器不同，儀器的自動(dòng)功率校準功能消除了進(jìn)行衰落所需的枯燥、耗時(shí)的系統設置。

　　總結

　　本文概述了先進(jìn)的3G無(wú)線(xiàn)通信系統中的 MIMO 技術(shù)，介紹了空間分集、空間復用和波束賦形的基本概念以及它們對 MIMO 性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時(shí)，MIMO 技術(shù)具有提高信號的強健性和擴充容量的潛力。開(kāi)發(fā)和測試 MIMO 元器件和系統要求使用能夠輕松配置的先進(jìn)信道仿真工具，并為真實(shí)的無(wú)線(xiàn)信道和條件提供精確表征。本文還與讀者分享了如何使用市場(chǎng)上有售的儀器（例如 Agilent N5106A PXB MIMO 接收機測試儀）來(lái)仿真這些復雜信道。