MIMO及其對無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)測試的影響

多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)作為一種關(guān)鍵的性能增強技術(shù)至今已在WLAN(802.11)系統中運用五年多了。您可能會(huì )問(wèn)，“MIMO系統到底有什么新穎之處，值得我們如此熱烈地討論?”

答案就在于無(wú)線(xiàn)視頻。無(wú)線(xiàn)視頻正迅速地驅動(dòng)MIMO系統進(jìn)入平板電腦和其他移動(dòng)平臺，并正在把WLAN系統的性能推向一個(gè)新的高度。用戶(hù)也期待基于WLAN技術(shù)流暢、可靠的視頻傳送。WLAN以往的應用主要是基本的數據傳輸(電子郵件、網(wǎng)上沖浪、文件傳輸等)，但是視頻傳送是完全不同的應用，視頻傳送需要低延時(shí)和穩定高速的數據速率來(lái)確保圖像的流暢。

MIMO技術(shù)在視頻傳送中的應用

當今，大量的設備正在使用802.11 MIMO 系統進(jìn)行視頻傳送。典型的應用有平板電腦、筆記本電腦、甚至是智能手機與智能電視的無(wú)線(xiàn)連接。此外，802.11 MIMO 系統正日益廣泛地被用于家庭影音環(huán)境，比如說(shuō)：將視頻內容從一部數碼錄像機(DVR)傳輸到電視機或電視機頂盒。這種傳輸方式的好處是能避免特殊的線(xiàn)路連接和復雜的安裝過(guò)程。

基于 WiFi無(wú)線(xiàn)視頻內容共享的主要協(xié)議包括：

* Miracast – WiFi Alliance?支持的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )802.11無(wú)線(xiàn)標準，它具有整合1080P視頻和Dolby 5.1音頻的能力。安卓(Android)4.2就內置了對Miracast的支持功能。

* AirPlay– Apple公司的專(zhuān)利技術(shù)，能由智能手機或平板電腦向連接 Apple TV裝置的電視機傳送視頻、音頻和圖片。

* WiFi Direct – 與 Miracast相似的、能整合視頻和音頻信號的點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)標準。安卓4.0以上系統都支持此協(xié)議。

正是由于上述標準化工作的開(kāi)展，用MIMO技術(shù)增強的802.11技術(shù)正在迅速成為移動(dòng)設備和固定設備之間傳送高清視頻內容的基本技術(shù)。

MIMO技術(shù)在提高可靠性、頻譜效益和吞吐量方面的應用

MIMO技術(shù)能用于優(yōu)化無(wú)線(xiàn)系統的關(guān)鍵性能。根據不同的實(shí)施方式，它能改善以下三種系統性能中的任意一種：

* 可靠性——確保正在被傳輸的數據能正確接收

* 頻譜效率——提高特定帶寬內的數據傳輸量

* 吞吐量——提高無(wú)線(xiàn)系統的數據傳輸速率

系統設計者可選擇在犧牲一個(gè)參數性能(如可靠性)的前提下充分優(yōu)化另一個(gè)參數(如吞吐量)，或者以較低的程度對全部參數(如吞吐量和可靠性)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1中假設有一個(gè)最佳的高頻譜效益MIMO信道(一個(gè)具有奇異值平坦分布特性的信道矩陣)，我們發(fā)現，MIMO系統能以低得多的單位信息接收能量獲得較高的頻譜效益。

圖1：頻譜效益與信息位能量(Eb/N0，按噪音譜密度歸一化)的關(guān)系

此圖對四種不同MxM值的MIMO(多路輸入多路輸出)系統進(jìn)行了比較，并假設采用了有奇異值平坦分布特性的信道矩陣(資料來(lái)源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期)。

MIMO技術(shù)實(shí)施時(shí)，用戶(hù)可使用較高階數的系統(如更多的發(fā)射機和接收機)以提高覆蓋范圍、可靠性和處理能力(bits/sec/Hz)。當然，這通常會(huì )需要更多的天線(xiàn)布置空間以及更大的能耗。

圖2表明隨著(zhù)系統中發(fā)射機/接收機數量的增加，處理能力也得到相應提高。

圖2：高階數MIMO系統應用對吞吐量的影響

在圖2中您將注意到隨著(zhù)MIMO階數的提高，系統的數據處理能力(bits/sec/Hz)變得更大，這意味著(zhù)更高的數據傳輸速率，或者可增加更多的用戶(hù)數量。另外，圖中也可以看出，數據容量的顯著(zhù)提高發(fā)生在1級無(wú)線(xiàn)設備升級為4級無(wú)線(xiàn)設備的過(guò)程中，之后，數據容量的提高速率逐漸降低。

考察當前市場(chǎng)上已有的WLAN MIMO技術(shù)解決方案后，我們將發(fā)現智能手機和更小型化的移動(dòng)裝置幾乎都是單一輸入與單一輸出(SISO)的解決方案。這主要歸因于天線(xiàn)空間和功耗。一個(gè)MIMO系統想要正常工作，各天線(xiàn)上的信號就需要不相關(guān)，不相關(guān)便意味著(zhù)信號的增加不能以一種信號疊加后會(huì )產(chǎn)生峰值的形式進(jìn)行。在實(shí)際應用中，天線(xiàn)與天線(xiàn)間的隔離度需保持在 6 dB左右以確保將實(shí)際系統中信號相關(guān)性控制在最低程度。這意味著(zhù)天線(xiàn)與天線(xiàn)之間必須有一定的間距，而像智能手機等裝置中往往沒(méi)有多少空間，尤其是考慮到智能手機所必須支持的多種蜂窩通信和無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)的頻段時(shí)更是如此。

平板電腦等較大的裝置則能容納更多的天線(xiàn)和更大的天線(xiàn)間距。截至到本文發(fā)稿時(shí)，市場(chǎng)上已推出幾款 2x2 WLAN MIMO型平板電腦，這些產(chǎn)品能利用MIMO技術(shù)帶來(lái)的更高的數據傳輸可靠性和吞吐量。

筆記本電腦由于能保證較大的內部天線(xiàn)空間(相當或大于平板電腦)并配備了較大容量的電池(能支持更多的發(fā)射機，也不會(huì )降低電池壽命)，所以一般都是 2x2 或 3x3 的系統。

最后，4x4 WLAN MIMO系統也已開(kāi)始出現，其初步應用瞄準了機頂盒的視頻傳送性能，因為機頂盒能從這種4x4 MIMO系統所提供的更好的傳輸可靠性和更大的數據容量中真正受益。

MIMO原理

傳統的無(wú)線(xiàn)系統采用單一輸入與單一輸出(SISO)的設置方法，即在無(wú)線(xiàn)連接的兩個(gè)終端都使用一個(gè)發(fā)射機和一個(gè)接收機。數字信號處理領(lǐng)域的最新研究成果為我們帶來(lái)了多天線(xiàn)技術(shù)，它能顯著(zhù)地提高數據吞吐量和改善無(wú)線(xiàn)連接的穩定性。這些多天線(xiàn)技術(shù)就是我們稱(chēng)為MIMO(多路輸入多路輸出)的技術(shù)，它在無(wú)線(xiàn)連接的各個(gè)終端都使用多個(gè)發(fā)射機和接收機，在一定的信道條件下，能獲得比SISO高出幾倍的吞吐量。

MIMO技術(shù)僅指出了特定裝置的天線(xiàn)數量。MIMO定義中的“輸入”和“輸出”二詞分別表示一個(gè)無(wú)線(xiàn)信號在空間的發(fā)射和接收。而且，這能獨立地應用到上行和下行兩種鏈路中。

從這個(gè)總的定義出發(fā)我們可以推理出更多特殊的多天線(xiàn)應用實(shí)例，如：多重輸入單一輸出(MISO)，單一輸入多重輸出(SIMO)，以及多路輸入多路輸出(MIMO)。這些實(shí)際應用可用圖3表示。

SIMO系統由于配備多個(gè)接收天線(xiàn)能形成接收分集，而MISO系統因為有多個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，所以能形成發(fā)射分集。MIMO系統則綜合了SIMO和MISO兩種應用的特點(diǎn)，它能同時(shí)利用發(fā)射分集和接收分集特性來(lái)改善無(wú)線(xiàn)連接的穩定性，同時(shí)使用多個(gè)可辨別的空間信道來(lái)提高無(wú)線(xiàn)連接的吞吐量。本文將集中討論MIMO系統。

圖3：MISO、SIMO和MIMO構架

MIMO技術(shù)根據信道條件可分為兩種工作模式，即空間復用模式(SM，Spatial Multiplexing)和空-時(shí)分組編碼(STBC，Space-Time Block Coding)模式。MIMO裝置會(huì )根據信道條件在SM和STBC兩種模式中動(dòng)態(tài)切換以實(shí)現最佳性能。

1) 空間復用模式

空間復用模式(SM)的基本原理是用每根天線(xiàn)發(fā)送相互獨立的數據。從各天線(xiàn)發(fā)送的數據會(huì )在接收機端經(jīng)過(guò)適當的信號處理后被分離，這種處理通常會(huì )包含線(xiàn)性去相關(guān)檢測和非線(xiàn)性干擾解除兩個(gè)操作。

我們平時(shí)提到MIMO時(shí)通常是在說(shuō)SM工作模式，因為這種模式具有顯著(zhù)提高無(wú)線(xiàn)連接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依賴(lài)一定的信道條件和信噪比(SNR)。多徑信道通常要求較高的非相關(guān)性。與SISO傳輸方式相比，對于相同的調制和編碼方法，多徑信道信噪比(SNR)要求也更高。

IEEE 802.11標準定義了兩個(gè)SM技術(shù)：直接映射和空間擴展。使用直接映射技術(shù)時(shí)，每個(gè)MIMO數據流都通過(guò)一個(gè)發(fā)送鏈路傳送，數據流與傳送鏈路之間是1對1的映射關(guān)系。使用空間擴展技術(shù)時(shí)，MIMO數據流先按信道評估情況用一個(gè)矩陣復用，然后再通過(guò)不同的發(fā)送信道予以傳輸。圖4直觀(guān)地表示了直接映射技術(shù)和空間擴展技術(shù)的特點(diǎn)。

圖4：直接映射和空間擴展

2) 空-時(shí)分組編碼(STBC)

STBC用另一種方式實(shí)現對多個(gè)天線(xiàn)的利用，它利用空間和時(shí)間分集來(lái)提高數據傳輸的可靠性。

MIMO數據流在特定的時(shí)間被從一個(gè)代碼字或代碼序列處理成矢量符號，如圖5所示。之后，整個(gè)代碼字變成一個(gè)矩陣，其內部的每行數據都在相同的天線(xiàn)上傳送，而每個(gè)列的數據則在相同的時(shí)間傳送。接下來(lái)的任務(wù)就是在接收機端如何設計一個(gè)有最佳距離屬性的代碼了(即便是對隨機變化的信道而言)。

STBC與SM不同，它不會(huì )提高M(jìn)IMO設備在相同時(shí)間傳送的數據流的數量，因此也不會(huì )直接提高無(wú)線(xiàn)傳送的吞吐量。然而，STBC能提高傳輸的可靠性，尤其是在信道條件很差的情況下。這樣，相同的信噪比情況下我們就能采用更高的調制和編碼率，因而，STBC具有間接提高線(xiàn)路吞吐量的能力。

圖5：空-時(shí)分組代碼

生產(chǎn)過(guò)程中MIMO系統中容易出問(wèn)題的方面

任何生產(chǎn)過(guò)程都會(huì )受到潛在錯誤和過(guò)程變異的影響。因此，在開(kāi)發(fā)MIMO測試方案時(shí)了解生產(chǎn)過(guò)程中的潛在失效點(diǎn)并準備好篩查方案是非常有用的工作。

* 焊接缺陷

焊接缺陷很可能是所有電子系統中第一大設備失效原因。嚴重缺陷可能會(huì )導致全系統的故障，因此很容易篩查，但是微小的缺陷就較難發(fā)現。這種缺陷可能會(huì )導致系統的性能下降，但不至于整機故障。MIMO系統由于其在實(shí)際應用中所具有的功能而特別容易掩蓋這種問(wèn)題。

例如：如果以一次一條鏈路(發(fā)射機或接收機)的方式對MIMO系統進(jìn)行測試，那么某些特定的性能問(wèn)題，如某個(gè)焊接不好的解偶電容器，就可能無(wú)法被發(fā)現。這類(lèi)問(wèn)題只有在所有發(fā)射機在最大功率輸出工作時(shí)才能被注意到。除非我們驗證系統的最高數據傳輸速率，否則我們可能查不出這類(lèi)生產(chǎn)測試中的問(wèn)題。但是，使用這種蒙混過(guò)關(guān)產(chǎn)品的最終用戶(hù)，很可能會(huì )在諸如平板電腦與電視機的視頻傳送過(guò)程中發(fā)覺(jué)類(lèi)似欠佳的性能(如解析不充分的視頻)，這最終會(huì )導致產(chǎn)品退貨甚至產(chǎn)品品牌形象的受損。

* TX/RX開(kāi)關(guān)性能

典型的WLAN系統一般都是半雙工系統，因此包含一個(gè)發(fā)送/接收(TX/RX)開(kāi)關(guān)，用于在信號的發(fā)送和接收之間進(jìn)行切換，如圖6所示。此開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度正是影響系統性能的關(guān)鍵所在。典型的系統中，此開(kāi)關(guān)必須具備在幾十個(gè)微秒內完成發(fā)送/接收切換的能力，否則將引起傳輸數據的丟包現象。

圖6：WLAN系統中的TX/RX開(kāi)關(guān)

控制線(xiàn)路中的解耦電容器有時(shí)會(huì )有焊接不良的情況，此外，表面貼裝流程中自動(dòng)裝配機上有時(shí)還會(huì )裝上容值不正確的元件。容值略微增加幾個(gè)微法(?F)便會(huì )引起切換穩定時(shí)間的延長(cháng)并影響系統的性能。

* 串擾問(wèn)題

正如前文所提，MIMO系統需依賴(lài)發(fā)送或接收數據流之間合理的隔離度才能實(shí)現最佳的性能。圖7顯示出一個(gè)MIMO系統中可能會(huì )產(chǎn)生的串擾路徑。

圖7：串擾或耦合問(wèn)題

驗證不同路徑之間隔離情況的唯一方法就是確保所有的路徑都在同時(shí)工作。這就需要多個(gè)信號發(fā)射機和信號接收機來(lái)對這些路徑進(jìn)行同步測試。如果每條鏈路單獨測試，那么隔離度問(wèn)題就難以發(fā)覺(jué)。

此外，隨著(zhù)平板電腦和智能手機越來(lái)越緊湊的外殼內需裝配的電子元件變得越來(lái)越多，精密的機械裝配和公差也已成為確保隔離度的必要條件。生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)裝配不良的射頻(RF)襯墊往往會(huì )導致系統中泄露通道的產(chǎn)生。

* 發(fā)熱問(wèn)題

最后，我們必須考慮MIMO系統測試過(guò)程中的發(fā)熱問(wèn)題。信號發(fā)射機的性能尤其容易因溫度的差異而發(fā)生變化。如果一次只對一條鏈路進(jìn)行測試，那么潛在的發(fā)熱方面的問(wèn)題(如增益下降，失真加劇)就可能不會(huì )表現出來(lái)。只有讓所有的射頻鏈路同時(shí)工作，才能使系統承受合理的負荷水平(見(jiàn)圖8)。

圖8：MIMO系統中的發(fā)熱問(wèn)題

以上只是生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的關(guān)于MIMO系統性能的幾個(gè)問(wèn)題。雖然這些問(wèn)題可能不會(huì )經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生，它們就會(huì )引起明顯的性能下降(但不大會(huì )引起整個(gè)系統的故障)。

隨著(zhù)視頻數據越來(lái)越多地依靠WLAN MIMO系統傳輸，峰值數據傳輸性能正變得越來(lái)越重要。這些類(lèi)型的缺陷無(wú)疑將引起應用設備性能的不良，因此我們需采取最佳的方法來(lái)篩查這些問(wèn)題。

在下一部分內容中，我們將考查WLAN MIMO測試的幾個(gè)不同方法以及我們采用不同技術(shù)所能獲得的測試覆蓋率的不同水平。

MIMO測試

MIMO測試方法共有四種：多重SISO，切換式MIMO，復合MIMO，和真實(shí)MIMO。圖9中列出了各種測試方法的配置方式。

圖9：MIMO測試配置方式歸納

1) 多重SISO

此測試方法采用一個(gè)矢量信號分析儀(VSA)和一個(gè)矢量信號發(fā)生器(VSG)。此方法中 MIMO待測裝置(DUT)被看作一個(gè)多重SISO裝置，對于發(fā)射機和接收機的每個(gè)MIMO支路都進(jìn)行單獨測試。這種測試方法實(shí)質(zhì)上是對每個(gè)MIMO支路的多次SISO重復測試，它是最基本的MIMO測試方法，曾被用于早期的MIMO裝置的生產(chǎn)過(guò)程中。

圖10：多重SISO測量

2) 切換式MIMO

此測試方法只使用一個(gè)矢量信號分析儀(VSA)依次對各MIMO支路進(jìn)行信號捕獲。測試時(shí)不是立刻對各捕獲的信號進(jìn)行分析，而是先對捕獲信號(此例中為三個(gè)捕獲信號)進(jìn)行緩沖，然后再對經(jīng)過(guò)綜合的MIMO信號進(jìn)行分析。測試中使用一個(gè)單一的VSG對待測裝置的MIMO接收機依次進(jìn)行測試。與多重SISO方法相比，切換式MIMO測試方法由于使用MIMO算法對數據進(jìn)行解碼，所以能獲得更精確的誤差矢量幅度(EVM)。這也消除了測試設置中的信道影響。

圖11：切換式MIMO測量

3) 復合MIMO

此測試方法使用一個(gè)射頻合路器將MIMO信號合成為一個(gè)單一的數據流。測試中使用一個(gè)VSA 對經(jīng)過(guò)合成的數據流進(jìn)行捕獲，并在發(fā)送信號已知的情況下對 MIMO信號進(jìn)行分析。與上述測試方法相似，此測試方法也使用一個(gè)單一的 VSG對每個(gè)MIMO接收支路進(jìn)行依次測試。此方法對測試硬件的要求最低，還能提供較高水平的測試覆蓋率和較快的測試速度。此外，此方法還能適當地降低測試裝置的成本和性能要求，因此大多數生產(chǎn)線(xiàn)都在使用這種測試方法。

圖12：復合MIMO測量

4) 真實(shí)MIMO

此測試方法模擬真實(shí)的MIMO工作條件。它使用多個(gè)VSA同時(shí)從所有MIMO支路捕獲信號。MIMO分析儀對MIMO信道進(jìn)行估算并對MIMO信號進(jìn)行解調。此方法還使用多個(gè)VSG生成多個(gè)波形以便對MIMO接收機進(jìn)行測試。此測試方法能帶來(lái)最全面的MIMO測試覆蓋率和最快的測試速度，因此經(jīng)常被研發(fā)和設計驗證實(shí)驗室采用。

圖13：真實(shí)MIMO測量

每個(gè)MIMO測試方法都有其特定的優(yōu)缺點(diǎn)。用戶(hù)應根據特定的應用場(chǎng)合和測試覆蓋率要求選擇不同的MIMO測試方法。下表對不同的測試方法進(jìn)行了比較。

表1：MIMO測試方法和相關(guān)測試成本比較

真實(shí)MIMO方法模擬真實(shí)的測試情景并提供最佳的MIMO測試覆蓋。與其他方法相比它的測試硬件的成本較高，但由于其測試吞吐量的顯著(zhù)提高，其運營(yíng)和總體成本卻最低。研發(fā)，設計驗證實(shí)驗室，以及高速生產(chǎn)線(xiàn)通常使用這種真實(shí)MIMO方法。復合MIMO方法對合成信號的測試覆蓋率較好，但對單個(gè)MIMO路徑的分析能力卻較差。多重SISO方法和切換式MIMO方法對單個(gè)MIMO支路能保證較好的測試覆蓋率，但缺少分析合成信號的能力。由于大多數生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題可以通過(guò)合成信號的分析得到解決，所以復合MIMO方法已成為生產(chǎn)線(xiàn)使用最普遍的測試方法。

測量類(lèi)型

表2：不同MIMO測試方法的測試覆蓋率比較

萊特波特測試解決方案

為了進(jìn)一步提高頻譜效益，最新的WLAN標準(802.11n 和 802.11ac)中增加了MIMO技術(shù)支持的內容。雖然MIMO是這些標準中可選的技術(shù)，但卻在越來(lái)越多地被WLAN裝置采用。這是因為視頻數據流等高吞吐量應用的大量普及以及5GHz頻段的日益頻繁的使用，而在這兩種情況下，MIMO不僅能幫助提高吞吐量，而且還能改進(jìn)無(wú)線(xiàn)覆蓋和連接的可靠性。

與傳統的SISO裝置相比，MIMO裝置有多個(gè)收發(fā)通道和更復雜的設計結構，因此它代表了一種全新的測試挑戰。MIMO測試需要新一代測試設備，而萊特波特公司憑借其專(zhuān)利技術(shù)、先進(jìn)的算法和創(chuàng )新的構架已成為MIMO測試領(lǐng)域領(lǐng)先的測試方案提供商。萊特波特公司也是目前唯一能提供涵蓋所有四種MIMO測試方法的測試方案公司。

我們的IQxel 系列測試產(chǎn)品是行業(yè)內802.11ac 和WLAN MIMO測試領(lǐng)域參考標準測試設備。由于具有行業(yè)內領(lǐng)先的測試速度和無(wú)可比擬的測試性能，IQxel擁有非常成功的業(yè)績(jì)，并正在被全世界各大芯片公司和消費電子產(chǎn)品制造商所使用。 IQxel已被運用到包括研發(fā)、設計驗證、生產(chǎn)和產(chǎn)線(xiàn)最終質(zhì)量控制在內的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的每個(gè)階段。

圖14：采用IQxel系列產(chǎn)品的True MIMO測試配置方案

圖15：2x2 MIMO 測試結果圖例

圖16：2x2 MIMO 測試結果圖例

萊特波特正在不斷地引進(jìn)高度創(chuàng )新的測試技術(shù)并重新定義無(wú)線(xiàn)測試行業(yè)。我們致力于提供最新最先進(jìn)的測試方法，以幫助我們的客戶(hù)交付高品質(zhì)的、具有最佳無(wú)線(xiàn)傳輸性能的產(chǎn)品。