WiMAX Wave2的雙信道MIMO測量

WiMAX Wave 2規范目前支持使用多個(gè)天線(xiàn)，以同時(shí)改善下行鏈路和上行鏈路的系統性能。與傳統的單路輸入單路輸出（SISO）實(shí)施方案相比，多路輸入多路輸出（MIMO）配置的系統具有更高的頻譜使用效率，因此數據速率更高。對這些高級 WiMAX 系統進(jìn)行表征和故障診斷，通常需要使用具有信道估算功能的雙信道信號分析儀、“矩陣解碼器”和OFDM解調器。

矩陣A和矩陣B配置

在 WiMAX Wave 2系統下行鏈路發(fā)射端工作的多天線(xiàn)實(shí)施有空時(shí)編碼（STC）—矩陣A和MIMO—矩陣B兩種方案。圖1為2x1 STC 和2x2 MIMO的典型下行鏈路配置。

在矩陣A（STC）實(shí)施中，信道可以建模成兩條路徑，這兩條路徑將基站（BS）的兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)連接到移動(dòng)站（MS）上的一個(gè)接收天線(xiàn)。每條信號路徑都可用一個(gè)唯一的信道系數“hx”來(lái)表示。每個(gè)系數代表各個(gè)發(fā)射－接收天線(xiàn)對之間所有路徑的（假設為線(xiàn)性）集合，還可能包括在發(fā)射機中產(chǎn)生的信道間串擾以及在無(wú)線(xiàn)信道中出現的無(wú)數個(gè)多路徑信號。另外使用每個(gè)天線(xiàn)在不同時(shí)刻、以同一頻率發(fā)射同一信號的不同編碼版本，可以改善信號接收質(zhì)量。這種技術(shù)就是空間分集技術(shù)，矩陣 A 配置實(shí)施的就是這種技術(shù)。

與之不同，矩陣B（MIMO）系統使用每個(gè)天線(xiàn)同時(shí)在同一頻率信道上發(fā)射不同的數據流，以實(shí)現更高的數據速率和頻譜效率。圖1中所示的矩陣B配置，在無(wú)噪聲系統中測得的接收信號為：

假設四個(gè)信道系數已知，矩陣B接收機就能使用下面的簡(jiǎn)化方法來(lái)辨別并恢復發(fā)射的波形。

這些方程也可用矩陣形式來(lái)表示：

矩陣解碼器的功能就是執行信道矩陣[H]的求逆運算和相關(guān)的數學(xué)運算，從而將最初發(fā)射的數據流進(jìn)行恢復并將這些信息傳輸到解調器。注意，矩陣解碼與解調是相互獨立的，矩陣解碼要先于解調之前完成。

當信道系數之間存在關(guān)聯(lián)時(shí)，實(shí)際的WiMAX 接收機可以使用其固有的分解或MMSE技術(shù)[參考文獻1]來(lái)進(jìn)行真實(shí)的數據恢復。如上所述，數據恢復需要知道信道系數，信道系數的值可由接收機或雙信道信號分析儀使用WiMAX OFDM 波形[參考文獻2]中包含的獨一無(wú)二的導頻結構來(lái)測出。精確的矩陣解碼取決于信道系數的獨立程度，并且它還會(huì )進(jìn)一步受到信道中噪聲數量的影響，這一點(diǎn)非常重要。當信道矩陣變成“病態(tài)矩陣”并且很難進(jìn)行精確的倒數運算時(shí)，相關(guān)的信道系數和/或噪聲便會(huì )導致系統性能降低。

在上行鏈路中，MIMO可通過(guò)在同一頻率信道上工作的兩個(gè)獨立移動(dòng)站（手機）之間協(xié)調一致的同步傳輸來(lái)實(shí)施。這種技術(shù)稱(chēng)為上行鏈路協(xié)同空間多路復用（UL-CSM）技術(shù)，為了實(shí)施 2x2 MIMO，該技術(shù)在基站上使用了兩個(gè)或更多的接收天線(xiàn)，并在每個(gè)移動(dòng)站上使用一個(gè)天線(xiàn) [參考文獻2]。在這種配置中，MIMO的實(shí)施僅限于上行鏈路。DL-MIMO要求每個(gè)移動(dòng)站有兩個(gè)天線(xiàn)和接收機信道。

信道估算、矩陣解碼和解調

矩陣A波形和矩陣B波形的信號分析和故障診斷可使用單路輸入或多路輸入的矢量信號分析儀（VSA）來(lái)完成。許多基本測量，例如STC或MIMO發(fā)射機中的信道間串擾和定時(shí)，都可通過(guò)將單路輸入分析儀直接連接到選定的發(fā)射機輸出端口來(lái)完成[參考文獻3]。當發(fā)射信號具有良好的隔離度時(shí)，這種單路輸入的方法非常有用，此時(shí)無(wú)需使用矩陣解碼器對波形進(jìn)行解調。某些測試程序，如WiMAX Wave 2 配置文件中定義的射頻一致性測試（RCT），規定了在可能出現串擾以及不使用矩陣解碼器的情況下，對發(fā)射機信號質(zhì)量的單信道測量。遺憾的是，在系統優(yōu)化和故障診斷過(guò)程中，這種基本測量對于分析眾多信號誤差的根本原因幾乎沒(méi)有什么作用。在這種情況下，要想找出誤差的根源，常常需要將使用與不使用矩陣解碼器進(jìn)行測量的結果進(jìn)行比較。在矩陣A系統中，可使用單信道VSA對使用和不使用解碼器兩種情況進(jìn)行測試。在矩陣B 和UL-CSM系統中，一般需要使用雙信道VSA來(lái)對這些日益復雜的波形進(jìn)行全面分析。

圖2所示是一個(gè)典型的具有WiMAX MIMO測量功能的雙信道VS（如帶有選件B7Y的Agilent 89600系列分析儀）的測量流程。在矩陣B配置中，MIMO信號分析從估算復雜的信道系數開(kāi)始，這些系數可通過(guò)對在兩個(gè)輸入信號接收到的大量已知導頻子載波進(jìn)行測量而得到，如圖中的 Rx0和Rx1所示。這四個(gè)信道系數將作為子載波頻率的函數來(lái)顯示，在對MIMO系統進(jìn)行優(yōu)化和故障診斷時(shí)，這些系數是一個(gè)非常有用的分析工具。估算出來(lái)的信道系數主要被矩陣解碼器用來(lái)恢復2x2 MIMO信號中的兩個(gè)獨立的數據流。矩陣解碼器的作用是抵消信道效應，而不是執行數據解調。如圖2所示，矩陣B數據流經(jīng)過(guò)恢復之后，然后傳輸到OFDM解調器進(jìn)行進(jìn)一步的信號分析。

如上所述，當直接連接到發(fā)射機端口時(shí)，基本解調無(wú)需使用矩陣解碼器。此外，圖2還顯示了兩條繞開(kāi)矩陣解碼器的測量路徑。在這個(gè)配置中，信道特征是利用前導碼、導頻和/或相關(guān)的數據子載波中包含的信息來(lái)估算出來(lái)的。這些信道響應可能會(huì )包含發(fā)射機和信道串擾，并且這些響應可能會(huì )和在嵌入式MIMO導頻中提取出來(lái)的MIMO信道系數有所不同。作為解調過(guò)程的一部分，這些信道響應可用來(lái)均衡波形（使波形的頻率響應變平），對WiMAX波形的故障診斷非常有用。然而，這兩個(gè)測得的信道響應卻無(wú)法包含足夠的信道信息來(lái)進(jìn)行矩陣解碼。

矩陣A使用VSA進(jìn)行信號分析的路徑和矩陣B配置相同，只是它需要一個(gè)單信道分析儀。表 1 為使用單路輸入解決方案和雙路輸入解決方案（如 Agilent 89600 系列VSA）來(lái)測試矩陣A和矩陣B波形的典型測量配置的簡(jiǎn)單列表。該表不但列出了矩陣解碼器對OFDM解調結果的影響，還顯示了當選擇VSA上的均衡器和MIMO信道頻率響應時(shí)所顯示的信道系數。

探索信號損耗情況

圖3是使用雙信道VSA測量一對仿真矩陣B波形得到的結果。在本例中，可以看到使用與不使用矩陣解碼器對發(fā)射機信道間巨大串擾的影響。左圖是一部分解調IQ星座圖，其中放大了一個(gè)導頻和一個(gè)數據符號點(diǎn)以顯示細節。在矩陣解碼器關(guān)閉時(shí)，如左上圖所示，由于其他發(fā)射信道會(huì )以-29dB 的相對電平耦合進(jìn)這個(gè)測量中，因此數據星座圖中會(huì )有一個(gè)擴頻。這種高度的串擾將會(huì )導致2.9%的相對星座圖誤差（RCE）。僅這種串擾誤差已經(jīng)足以使RCT達不到 WiMAX Wave 2波形的要求。本圖的右上角還顯示了相關(guān)的誤差矢量頻譜：OFDM誤差－子載波頻率關(guān)系圖。本測量圖是對系統中的定時(shí)誤差進(jìn)行故障診斷的絕佳工具，下一實(shí)例也將使用此圖。

圖3下半部的圖形為啟用矩陣解碼器時(shí)的測量結果。矩陣解碼器可以使用四個(gè)（在2x2 MIMO中）信道估算來(lái)抵消串擾效應。在矩陣解碼器抵消串擾之后，RCE得以改善到小于 0.05%，誤差矢量頻率和數據星座圖均可反應出這種差異。注意，該導頻的星座圖點(diǎn)并不會(huì )受到串擾或矩陣解碼器的影響。導頻不會(huì )在時(shí)間和頻率上重疊，這樣導頻星座圖點(diǎn)就不會(huì )擴散，導頻就能用來(lái)測量?jì)蓚€(gè)發(fā)射信道之間的串擾電平。

盡管在RCT 試中沒(méi)有使用，但矩陣解碼器仍是一個(gè)出色的故障診斷工具，能夠測量并去除串擾（串擾可能掩蓋其他信號減損）。例如，圖 4 所示矩陣解碼器是如何抵消串擾以揭示系統中出現的符號定時(shí)誤差。此前，上圖為具有29dB串擾電平的信號的星座圖和誤差矢量頻譜。在沒(méi)有使用矩陣解碼器之前，誤差頻譜主要由串擾決定，這使其很難看到波形中的定時(shí)誤差。在啟用矩陣解碼器時(shí)，測量中的串擾得以抵消，并能輕松觀(guān)察到定時(shí)誤差。在右下端的測量中，誤差頻譜顯示出我們熟悉的“V”型，那是符號定時(shí)誤差的特征 [參考文獻4]。

信道頻率響應測量

均衡器和MIMO信道響應是表征矩陣A和矩陣B波形的另外兩個(gè)有用的診斷工具。這些響應的幅度和形狀可在解調之前使用戶(hù)深入理解所接收波形的質(zhì)量。例如眾所周知，MIMO系統在路徑眾多的環(huán)境中工作時(shí)，信道系數之間的相關(guān)性較低，從而接收機一端能夠更好地還原數據。反之，當信道系數之間的相關(guān)性較高時(shí)，系統性能就會(huì )迅速降低。圖5是兩個(gè)不同MIMO 信道測得信道系數的幅度，一個(gè)信道的系數相關(guān)性較高（左），另一個(gè)信道的系數相關(guān)性較低（右）。這兩個(gè)測量均啟用了矩陣解碼器。在高相關(guān)性實(shí)例中，這一對系數具有相同的復雜頻率響應，系統性能可能會(huì )降低。如下圖中的插圖所示，測得的64-QAM星座圖顯示出高度的信號失真。作為對比，右上角的測量顯示的是具有較低相關(guān)性的測得信道系數。在本例中，這些系數具有不同的頻率響應，從而導致了數據恢復過(guò)程的改進(jìn)，這一點(diǎn)如圖中右下角的測量星座圖所示。

條件數

另一個(gè)非常有效的故障診斷工具是“MIMO 條件數”，它是通過(guò)對信道矩陣[H]進(jìn)行特征值分解，獲得每個(gè)子載波的最大奇數值與最小奇數值之比計算出來(lái)的。它能夠測量接收機中不合格的矩陣是什么樣的。該比值常用對數標尺來(lái)顯示，狀態(tài)良好的矩陣的奇數值的理想比值為1 dB或0dB。作為綜合指南，當信號的條件數大于其信噪比時(shí)，矩陣解碼器將不能有效地區分信號，解調性能將會(huì )很差。這一點(diǎn)可在圖5中左下角的條件數響應中輕松看出。在這種情況下，條件數會(huì )接近或大于20dB，而且解調后的星座圖將會(huì )很差。與之相比，右圖所示的條件數通常低于10dB，相關(guān)的星座圖也有顯著(zhù)改善。

無(wú)論WiMAX Wave 2系統是使用矩陣A配置還是使用矩陣B配置，通過(guò)充分利用無(wú)線(xiàn)環(huán)境中的大量多路徑特性，都能極大地提升系統性能。在這些系統的設計、故障診斷和優(yōu)化過(guò)程中，多種雙信道測量可為這些系統的操作和性能提供必要的深入分析。

參考文獻

[1] WiMAX System Evaluation Methodology，2.1 版，2008 年 7 月 7 日。

[2] 安捷倫在線(xiàn)研討會(huì )，“WiMAX Wave 2 Testing - MIMO STC”，2008 年 1 月 17 日。

[3] “Matrix A and B re-measured; Single channel measurements for WiMAX Wave 2 reduce the need for multi-channel analysis”，WiMAX 日報，2008 年6 月 18 日。

[4] Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs，安捷倫應用指南 1313，5968-3578E。