MIMO的應用及測量須知
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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(kāi)了一個(gè)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(shū)選自安捷倫“MIMO十大須知”中的一部分，其目的是讓用戶(hù)對MIMO技術(shù)的運用和測試方法有一個(gè)大概的了解。每一部分都會(huì )用實(shí)例來(lái)突出說(shuō)明MIMO技術(shù)對于無(wú)線(xiàn)電系統或相關(guān)測試的影響?？蓮陌步輦惿暾埵箜氈男麄髻Y料(本白皮書(shū)的最后有訂購信息)。
須知一：空間復用技術(shù)至少需要兩個(gè)發(fā)射機和兩個(gè)接收機。兩個(gè)接收機應設在相同位置。
一些多天線(xiàn)技術(shù)，比如發(fā)射及接收分集，有時(shí)也會(huì )用到“多入多出”一詞，但這些技術(shù)并不能直接增加無(wú)線(xiàn)鏈路的頻譜效率。而實(shí)際上，空間復用技術(shù)能夠在根本上增加系統容量，它與分集技術(shù)一樣重要，兩種技術(shù)經(jīng)常結合使用。所以移動(dòng)臺可以只有兩個(gè)天線(xiàn)，基站可以配有四個(gè)天線(xiàn)。
參看圖1，空間復用的關(guān)鍵在于同時(shí)發(fā)射用戶(hù)數據的不同部分。當信號通過(guò)包括天線(xiàn)在內的無(wú)線(xiàn)電信道進(jìn)行傳輸時(shí)，必然會(huì )出現一些相互耦合。
圖1：移動(dòng)通信中非對稱(chēng)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(gè)過(guò)程中需要和發(fā)射機的數目一樣多的接收機，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(chēng)為碼字)在接收端耦合恢復成原始信息，因此需要將多個(gè)接收機放在相同位置。
而對于信號后處理來(lái)說(shuō)，由于測量軟件(如安捷倫89600 VSA)能夠組合來(lái)自多個(gè)輸入的IQ數據，然后進(jìn)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(guò)電纜直接連接到分析儀，相互之間不會(huì )產(chǎn)生耦合，也就是直接映射。通過(guò)將單端口輸入分析儀輪流連接到各個(gè)發(fā)射機，就可以恢復每一路碼流。
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(gè)開(kāi)關(guān)切換控制來(lái)捕獲各路信號。Agilent N4011A MIMO多端口轉接器即是WLAN中采用該技術(shù)的一個(gè)設備實(shí)例。
圖2：LTE中的不同MIMO信道訓練子載波。
須知二：MIMO技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信系統下行鏈路和上行鏈路中的應用是不同的。
在WLAN中上下行無(wú)線(xiàn)鏈路是對稱(chēng)的，但是這一模型針對移動(dòng)通信應用發(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(guò)上行鏈路的容量。
WiMAX和LTE基站至少需要兩個(gè)發(fā)射機。在很多設計中擁有四個(gè)或更多的發(fā)射機，便于同時(shí)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(dòng)臺都有兩個(gè)接收機。接收分集非常有用，所以即使最初沒(méi)有MIMO技術(shù)，移動(dòng)臺也可能會(huì )使用兩個(gè)接收機。
圖1中還顯示了將傳輸數據信號復用到碼流和層時(shí)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)。用戶(hù)數據在發(fā)送時(shí)被分離成多路碼流。如果同時(shí)使用空間復用和分集技術(shù)，那么還需要進(jìn)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(guò)程，發(fā)射之前兩路碼流不會(huì )故意進(jìn)行耦合。
須知三：MIMO信號恢復過(guò)程由兩個(gè)階段組成。
在WLAN和WiMAX中，用戶(hù)傳輸數據被復用到多路碼流中時(shí)使用相同調制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中則可能對每一路碼流使用不同調制方式。因此信道恢復與數據恢復之間有明顯區別，這是有關(guān)MIMO的另一個(gè)基本原理。
MIMO信號在通過(guò)信道傳輸時(shí)會(huì )相互耦合，在對各路碼流進(jìn)行解調之前，必須對這些信號進(jìn)行分離。為此，接收機需要知道不同發(fā)射機的信道訓練信息，這種信道訓練機制被稱(chēng)為“非盲”。
在WiMAX和LTE信號中都有信道訓練部分。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(huì )在相同時(shí)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(lái)區分發(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中的導頻有一點(diǎn)不同，LTE的參考信號每三個(gè)或四個(gè)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(shí)間關(guān)系也是已知的，因此可以創(chuàng )建一個(gè)矢量方式來(lái)表示信道，它可以提供用于分離各路碼流的系數。
須知四：相位差對開(kāi)環(huán)MIMO沒(méi)有影響。
開(kāi)環(huán)MIMO是指發(fā)射信號是直接映射的，沒(méi)有使用信道反饋對信號進(jìn)行耦合(預編碼)。
換句話(huà)說(shuō)，只有對不同信號耦合兩次時(shí)，相位才有影響，正如兩個(gè)不同頻率的連續波信號發(fā)生耦合，這樣可以更容易理解。第一次合成信號時(shí)，兩個(gè)信號間可能具有已知相位關(guān)系，也可能沒(méi)有，這并不要緊；兩個(gè)分量的振幅和相位并不會(huì )受到影響。然而，如果再次對它們進(jìn)行耦合，兩個(gè)信號間將存在相同部分，并將作為矢量求和。結果，振幅和相位將會(huì )發(fā)生變化，這種變化取決于初始相位和耦合因子的組合，結果甚至完全抵消。
這個(gè)簡(jiǎn)單的矢量相加例子說(shuō)明了為什么開(kāi)環(huán)MIMO不會(huì )受發(fā)射信號或接收信號相位的影響。這是因為在開(kāi)環(huán)MIMO中，發(fā)射信號沒(méi)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(gè)位置不同的移動(dòng)臺時(shí)仍然可以正常工作。順便指出，在這種情況下不能應用預編碼，一方面是因為輸入數據只對每個(gè)移動(dòng)臺自身有效，另一方面也是因為無(wú)法控制兩個(gè)移動(dòng)臺之間的相位關(guān)系。
圖3是一個(gè)上行多用戶(hù)(協(xié)作)MIMO(MU-MIMO)測試的配置。虛線(xiàn)表示在實(shí)際系統中發(fā)生的過(guò)程，由基站控制各移動(dòng)臺的發(fā)射定時(shí)和功率，使各信號到達基站接收機時(shí)得以對準。各移動(dòng)臺根據基站的參考信號調整自己的頻率。在測試中還可以使用電纜，并對定時(shí)、功率及頻率偏移施加其它類(lèi)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(jìn)行交叉信道測量。
多數工程師開(kāi)始時(shí)都采用單輸入測量，不僅因為其測量簡(jiǎn)單，而且該測量還可利用已有設備提供大量有關(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(hù)(協(xié)作)MIMO需要系統具有對功率、頻率和定時(shí)對準的處理能力。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。
信道隔離度作為解調過(guò)程測試的一部分，可以很容易被測量出來(lái)。這里假設信號在發(fā)射機里沒(méi)有發(fā)生串擾。在LTE中，沒(méi)有對參考信號進(jìn)行預編碼，即使應用了預編碼，信道隔離度也不會(huì )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(gè)接收機，所有只需要單端口輸入分析儀就可對其進(jìn)行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信號也可以分別進(jìn)行分析，雖然不可能完全去掉多余的串擾。將單輸入分析儀依次接到各個(gè)發(fā)射機輸出端，就可以進(jìn)行相應的碼流分析。
使用單輸入分析儀可完成最精確的射頻相位和定時(shí)測量。如果利用功率合成器將多個(gè)輸入饋送到單輸入分析儀，如圖4所示，對信號進(jìn)行解調并將符號對準后，得到相對定時(shí)及射頻相位測量值。這一方法完全消除了附加設備的影響，測量分辨率分別達到次納秒級和度。
DL2×1 STC(時(shí)空碼)或2×2 MIMO
2個(gè)發(fā)射機 功率合成器 信號分析儀 發(fā)射信號通過(guò)功率合成器后進(jìn)行解調，恢復定時(shí)和相位關(guān)系
圖4：使用單端口輸入的MXA頻譜分析儀和功率合成器進(jìn)行交叉信道的射頻頻率和相位測量。 汽車(chē)防盜機相關(guān)文章:汽車(chē)防盜機原理 頻譜分析儀相關(guān)文章:頻譜分析儀原理
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