無(wú)線(xiàn)信道仿真技術(shù)應對MIMO新挑戰

摘要：隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，通信容量和多路通信逐漸對無(wú)線(xiàn)信道的性能提出更高的要求，在這樣的情況下，無(wú)線(xiàn)信道仿真技術(shù)在無(wú)線(xiàn)標準開(kāi)發(fā)中扮演了越來(lái)越重要的角色，本文探討了無(wú)線(xiàn)信道仿真技術(shù)的最新進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)信道仿真；MIMO；智能天線(xiàn)；EB

　　無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，在快速提升傳輸能力的同時(shí)，頻譜利用率也在不斷增加。新一代移動(dòng)通信（B3G/4G，）將可以提供高達100Mbit/s甚至更高的數據傳輸速率，在有限的頻譜上實(shí)現通信的高速率、大容量和高質(zhì)量，這對無(wú)線(xiàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)提出了更多的要求，智能天線(xiàn)技術(shù)獲得了廣泛的應用。

智能天線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)信道仿真

　　智能天線(xiàn)原名自適應天線(xiàn)陣列(AAA，AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天線(xiàn)技術(shù)主要用于雷達、抗干擾通信、定位及軍事通信方面等，完成空間濾波和定位功能。智能天線(xiàn)系統在無(wú)線(xiàn)鏈路的發(fā)射端和/或接收端帶有多根天線(xiàn)，為了利用移動(dòng)無(wú)線(xiàn)信道的空間特征，智能天線(xiàn)系統中的信號都進(jìn)行了自適應處理。根據信號處理是位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線(xiàn)技術(shù)被定義為多入單出(MISO，MultipleInputSingleOutput)、單入多出(SIMO，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)，具體結構如圖1。其中MIMO技術(shù)充分開(kāi)發(fā)了無(wú)線(xiàn)信道的空間特性，利用空間維數可以增加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的容量，可以在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，大幅度地提高頻帶利用率、系統容量和業(yè)務(wù)的可靠性?，F在，MIMO技術(shù)已經(jīng)被3GPP的高速下行分組接入技術(shù)（HSDPA）、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）IEEE802.11和無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)（WMAN）IEEE802.16標準所采用。

圖1 智能天線(xiàn)結構示意圖

　　TD-SCDMA作為中國自主開(kāi)發(fā)的標準，給了中國無(wú)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)一個(gè)成長(cháng)壯大，追趕西方技術(shù)潮流的機遇，而標準的開(kāi)發(fā)和商用，離不開(kāi)出色的測試技術(shù)保障。MIMO技術(shù)的盛行，對無(wú)線(xiàn)測試提出了新的挑戰，安捷倫中國通信產(chǎn)品中心市場(chǎng)經(jīng)理Mario Narduzzi談到，B3G時(shí)代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )測試需要面對的是智能天線(xiàn)為主的多天線(xiàn)技術(shù)，對抗多徑問(wèn)題的同時(shí)需要提高信號吞吐量，特別是MIMO需要對真實(shí)信道的場(chǎng)景進(jìn)行測試，這其中的難點(diǎn)就在于模擬MIMO測試的場(chǎng)景真實(shí)性，同時(shí)MIMO信號的配置也非常重要。要模擬測試場(chǎng)景的真實(shí)性，必然需要高可靠性的無(wú)線(xiàn)信道仿真技術(shù)。

　　現有和未來(lái)的無(wú)線(xiàn)通信系統需要實(shí)現高數據率，高可靠性，高度穩定的服務(wù)質(zhì)量，高頻譜效率和高速移動(dòng)性。充分理解無(wú)線(xiàn)信道并考慮其特性已經(jīng)成為無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計中至關(guān)緊要的因素。無(wú)線(xiàn)系統和產(chǎn)品研發(fā)工程師都知道一旦工作與無(wú)線(xiàn)信道有關(guān)就會(huì )變得麻煩起來(lái)，因為信道并不在實(shí)驗室中，而且隨時(shí)間、地點(diǎn)和地理條件變化。信道仿真儀把無(wú)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)信道環(huán)境帶到工程師的實(shí)驗室中，使他們能夠考慮多徑衰落，信道相關(guān)性，噪聲與干擾等因素帶來(lái)的影響。因此如今的產(chǎn)品性能測試、一致性測試和同類(lèi)產(chǎn)品比較測試都需要考慮無(wú)線(xiàn)信道的影響，信道仿真儀市場(chǎng)正在不斷增長(cháng)，而且其增長(cháng)率高于測試與測量市場(chǎng)的平均值。這反映了無(wú)線(xiàn)通信系統的趨勢是越來(lái)越復雜的技術(shù)綜合。

　　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)發(fā)展迅猛，信道仿真技術(shù)必須發(fā)展得更快。一般說(shuō)來(lái)，信道仿真儀屬于測試測量范疇，其性能必須大大優(yōu)于被測設備的性能。信道仿真儀結合了多種技術(shù)，如高性能DSP，高質(zhì)量的RF設計，大量的嵌入式軟件和友好的人機交互界面等等，其復雜程度極高。

MIMO信道模型的發(fā)展

　　任何無(wú)線(xiàn)通信系統的標準都需要指定一個(gè)信道模型作為性能評估和比較的基礎，而該模型必須充分體現出目標應用信道的各種特性。由于MIMO技術(shù)優(yōu)勢是建立在空間特性的利用上，所以MIMO的信道模型必須充分模擬信道的各種空間特性。

　　在早期MIMO信道模型研究中，為簡(jiǎn)化分析，通常假設天線(xiàn)陣列周?chē)嬖诖罅可⑸湮?，且天線(xiàn)元間距大于半波長(cháng)，不同天線(xiàn)的信道衰落是不相關(guān)的。在仿真中通常利用3GPP中的TU信道來(lái)模擬MIMO信道，各個(gè)TU信道是獨立產(chǎn)生，相互之間獨立，即相關(guān)系數為零。

　　隨著(zhù)MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟，人們發(fā)現隨著(zhù)MIMO信道相關(guān)性逐漸增強，MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關(guān)性時(shí)，早期部分將MIMO技術(shù)研究成果應用于無(wú)線(xiàn)通信系統中時(shí)，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現實(shí)環(huán)境中具有相關(guān)性或相關(guān)性強的MIMO信道環(huán)境又大量存在，所以在MIMO信道的研究中要考慮建立接近實(shí)際信道環(huán)境的MIMO信道模型。下面簡(jiǎn)要介紹在3G以及B3G/4G系統中采用的MIMO信道模型。

　　3GPP在TR25.996中提出的SCM信道模型是為載頻2GHz、帶寬5MHz系統設計的，它是基于散射隨機假設建立的信道模型，基本原理是利用通過(guò)統計得到的信道特性，如時(shí)延擴展、角度擴展等來(lái)得到信道系數并通過(guò)在公式中引入天線(xiàn)間距得到信道之間的相關(guān)性。主要定義了3種場(chǎng)景，即市郊宏小區、市區宏小區和市區微小區。在3GPP LTE中采用的也是這種SCM信道模型，只不過(guò)實(shí)現方法從原來(lái)的基于幾何統計法簡(jiǎn)化成為相關(guān)矩陣法。

　　在未來(lái)B3G/4G系統中所采用的SCME信道模型是SCM信道模型的擴展。擴展保持簡(jiǎn)便性和向后兼容性，即SCME信道模型要能夠向后兼容SCM，這樣就保持了模型的一致性和可比性。信道擴展是因為在IMT-Advanced系統中帶寬擴大到20～100MHz，所需要的抽樣頻率也大大提高，每條鏈路能分辨的延遲數目也隨之增大，SCM模型6條延遲路徑不再滿(mǎn)足系統的需要。

　　在MIMO應用領(lǐng)域則有兩種不同的建模方式。一種方式是應用于標準的一致性測試中，采用定義MIMO信道間相關(guān)性的方式。另一種方式則是基于幾何信息來(lái)創(chuàng )建MIMO模型。測試解決方案則要求達到“端到端”，OTA（Over the Air）和網(wǎng)絡(luò )級測試將成為未來(lái)仿真儀應用發(fā)展的主要方向：

　　1. 雖然單鏈路的測試需求很常見(jiàn)，但是我們相信未來(lái)網(wǎng)絡(luò )級測試會(huì )成為主流。網(wǎng)絡(luò )級測試是指在實(shí)驗室中鏈接真正的基站和終端來(lái)測試全網(wǎng)性能。這樣對信道仿真儀的挑戰就是大量的基站與終端間的鏈接同時(shí)存在。

　　2. OTA測試是終端測試領(lǐng)域的另一個(gè)增長(cháng)點(diǎn)。傳統測試是通過(guò)電纜連接終端天線(xiàn)的傳導性測試，而OTA測試中經(jīng)過(guò)衰落的測試信號在暗室中向終端輻射。傳導性測試中天線(xiàn)特性完全被忽略，而在LTE和HSPA中的多天線(xiàn)方案使終端天線(xiàn)占有重要位置，天線(xiàn)對終端性能影響顯著(zhù)，但在傳導測試中因無(wú)法測試，使終端性能結果準確性受到影響。
　　
解決方案

　　精確的，可重復性的，節省成本的和易于控制的實(shí)驗室測試要求越來(lái)越接近真實(shí)的空中接口環(huán)境，因此需要更真實(shí)的信道和無(wú)線(xiàn)環(huán)境仿真。多天線(xiàn)和MIMO系統仿真中到底需要什么樣子的無(wú)線(xiàn)信道仿真儀？

　　來(lái)自芬蘭的伊萊比特（Elektrobit，EB）公司日前推出一個(gè)全新信道仿真平臺，用以實(shí)現WiMAX、LTE和4G通信系統的測試?；谶@個(gè)嶄新的平臺，伊萊比特同時(shí)推出第一款新產(chǎn)品EB Propsim F8，通過(guò)為現有及未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統提供完全的信道仿真，將信道仿真性能推向更高境界。單臺Propsim F8可支持雙向4x4 MIMO仿真，共有32個(gè)衰落通道，也可以在單臺F8中配置多個(gè)MIMO系統，例如可以模擬1個(gè)雙天線(xiàn)的移動(dòng)終端與2個(gè)雙天線(xiàn)基站之間的切換通信，每個(gè)鏈接都可以配置為上下行雙向的2x2 MIMO連接，通過(guò)多臺級聯(lián)能夠使仿真信道數目倍增，是OTA測試的重要組成部分。EB Propsim F8擁有出色RF性能，頻率范圍350 ~ 6000MHz，支持125MHz的信號帶寬。從EVM這一描述RF性能的典型指標來(lái)看，其EVM小于-50dB。

圖2  EB Propsim F8

　　在新仿真平臺的開(kāi)發(fā)過(guò)程中多天線(xiàn)應用是測試著(zhù)重考慮的課題之一，EB進(jìn)行了良好解決。仿真儀要滿(mǎn)足多天線(xiàn)測試必須具有足夠多的衰落通道，良好的RF相位穩定度，高性能DSP和先進(jìn)的信道建模軟件工具。在波束賦形測試中相位穩定度更是關(guān)鍵指標之一，這是由于波束賦形的原理正是建立在基站端的相位控制上。波束賦形應用中對無(wú)線(xiàn)信道建模也有特殊需求，典型測試例中需要定義信號從各個(gè)特定的角度到達。實(shí)際應用中用戶(hù)也是在網(wǎng)絡(luò )內移動(dòng)的，對于基站來(lái)說(shuō)必須持續地估計用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò )中的方向并對基站控制軟件作必要地調節。EB Propsim F8提供了波束賦形測試中的所有必備因素。

參考文獻：
[1] 趙紹剛.無(wú)線(xiàn)通信智能天線(xiàn)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢. 電信技術(shù).2005.9：35.
[2] 薛 偉，王 忠. 基于實(shí)測的無(wú)線(xiàn)信道仿真分析. 中國測試技術(shù).2008.1:74
[3] Elektrobit. EB Propsim F8 Handbook. Elektrobit,2008
[4] 杜加懂，林輝. 多天線(xiàn)無(wú)線(xiàn)信道仿真與建模方法.電信網(wǎng)技術(shù).2007.11
[5] EB Propsim F8- New advanced radio channel emulator. http://www.elektrobit.com/index.php?867