無線MIMO測試開發策略

引言
有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務的需求為通信領域新技術的采用開辟了道路，這些非傳統技術有效提升了數據容量。新采用的這些技術中的一種就是利用多天線設計的多輸入、多輸出（MIMO）系統架構。MIMO利用了發送和接收天線之間的空間分集技術——由信號衰落和多徑環境引起的多信號路徑產生——來增加數據吞吐量而無須額外的增加帶寬。但相比傳統的單流架構MIMO，系統復雜度增加了許多，帶來了更大的測試挑戰，需要獨特的設備和測試方法。

本文介紹了MIMO測量的不同種類，包括噪聲和干擾對于信道的損害，并提供一些圖片示例方便大家對于測量結果的理解。

對于新近的無線通信標準，高數據吞吐量是最基本的要求，這些新標準MIMO都有參與，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移動WiMAX Wave 2和3GPP長期演進（LTE）。這些新系統都結合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實現在不增加信道帶寬的前提下增加數據吞吐量。

SISO與MIMO比較
在傳統的單輸入、單輸出（SISO）通信系統中（如圖1a所示），例如，傳統的IEEE 802.11a/b/g無線局域網絡（WLAN）系統，一個無線鏈路采用了單發射器和單接收器。也許會在每個通信鏈路終端上采用多個天線，但在同一時刻只有一套天線被采用，并只有一個載波傳輸單流的數據。在理想的通信信道中，無線信號從發射器到接收器只通過單一路徑傳輸，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動影響產生了多徑效應，因此，接收器會接收到多個信號。反射的信號由于相比直接傳輸的信號傳播路徑更長，會受到衰減和延遲的影響。因為傳輸路徑的不同，這些反射信號的相位也各不相同。因此，接收機信號的重建面臨難度，會造成接收信號強度的波動。較強的多徑效應會降低吞吐量或者造成數據丟失。

圖1 傳統的SISO架構的無線信號鏈路（a），采用一對天線在同一時間進行發射和接收而MIMO系統（b）同時采用多信號和多天線

因為在指定通信信道中，OFDM通常與MIMO進行組合來增強數據吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的。例如，OFDM在IEEE 802.11g (Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統中得到了采用。在MIMO的基礎上，采用OFDM可以進一步提升數據吞吐量，而無須增加帶寬或改變調制階數——比如從16QAM變成64QAM系統。

采用OFDM調制的無線信號本質上是由一系列相互正交的子載波構成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個調制后的子載波處于最大功率時，其臨近調制后子載波正好處于過零點或功率最小處，而一些子載波作為保護頻帶來實現隔離并防止臨近信道干擾。為了增強魯棒性，許多通信標準采用的OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號分量隨時間衰減，這樣這些信號就不會對下一個接收機收到的傳輸符號產生干擾。

通過采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進行數字信號處理，可將其結合到一個信號流里面傳輸并可恢復原信號。因為保留多流信號的相對相位和頻率關系，這些信號流就可以并行的在單一信道傳輸，所以就可以實現在不增加帶寬的前提下提高數據吞吐量。

與SISO通信系統相比，MIMO系統（圖1b）同時采用多無線信號和多天線，多個數據流在同一通信信道傳輸。這些多路的數據流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進行協調。MIMO系統不需要天線的對稱排列，例如，兩個發射要配備兩個接收（2×2）或者四個發射要配備四個接收（4×4），可以進行“不平衡”配置，例如四個發射配備三個接收的4×3配置。

要增加SISO系統的數據吞吐量，需要更為復雜的調制方式，或者增加帶寬，或進行兩者的結合。加倍SISO系統吞吐量最簡單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統的吞吐量，發射器、接收器和相應天線的數量需要增加。通過采用多天線和信號傳播路徑的空間多路技術，MIMO系統可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。

MIMO系統利用接收信號的變更來增加數據吞吐量，接收到的信號被看作未知信號（發送的符號）的聯立方程。多路信號路徑的多樣性變化讓這些聯立方程解決的更加簡單，并提升了吞吐量。

SISO的信道容量與MIMO系統相比如何呢？香農定律指明了SISO通信系統的信道吞吐量為

C=BLog2(1+S/N)
式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）。當該公式用于MIMO應用時：

C=ABlog2(1+S/N)
式中：A為發射天線的數量。

該等式指出了MIMO系統中發射天線數量與信道容量的直接關系。一個MIMO系統在同一物理信道上利用空間復用技術用多天線傳輸多路數據流，數據流在不改變符號速率的情況下在多個發射機上進行發送。通過增加更多的發射機和發射天線，系統的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。

為MIMO系統建模必須考慮多數據流的數量，包括到達接收機的直接和反射信號。按照傳統的方法，將發射器分別表示為Tx1，Tx2，…，Txn，將接收機表示為Rx1，Rx2，…，Rxn，一個MIMO通信系統可由一個矩陣信號向量hxy的形式表示，其中x表示發射機的數量，y表示接收機的數量。例如，h21表示兩個發射機和一個接收機，而h22表示兩個發射機和兩個接收機（如圖2所示）。通過這種方法，一個MIMO信道可以這樣建模：

y=H*x+n
式中：y為接收信號向量，H為信道矩陣(hxy信號元素)，x為發射信號向量，n為噪聲向量。

圖2 MIMO系統中的無線信道可由一系列不同的向量來表示

不同的信道對接收信號產生影響，例如，衰減和多經影響，可由同樣的代數方程矯正，關系式為

Rx=H*Tx+n
式中：Rx表示接收天線的Rx1，Rx2，…，Rxn矩陣，Tx表示發射天線的Tx1,Tx2，…，Txn矩陣。對于一個2×2 MIMO系統，關系如圖2的矩陣。

這些關系式中的信號包含幅段、頻率和相位分量，所以用向量表示很實用。簡單而言，在一個測量系統中用向量來表示這些信號也很實用。

測量挑戰
MIMO技術在數據吞吐量上的提高，增加了系統復雜性，為評估MIMO系統和系統中元器件的測試和測量設備帶來新的設計挑戰。在決定最佳的MIMO測量儀器之前，也許有必要先確定一個描述MIMO通信信道性能的測量類型。MIMO測量一般可以分為系統級測量、信道響應測量和MIMO系統中使用的元器件的功能性測量。

已經說明了MIMO信號由頻率、幅度和相應的相位分量定義，對MIMO信號的測量必須對以上三個信號特征分量進行精確和真實的測定。另外MIMO系統通常是基于對接收信號進行零中頻(zero-IF)下變頻到基帶I、Q信號分量的系統。要得到高的調制精度，必須保持I、Q信號分量的保真度，這需要信號路徑所有的部件具有高性能和低失真，包括放大器、濾波器、混頻器、I/Q調制和解調器等部件。

在許多無線系統中，誤差向量幅度(EVM)是評估性能的標準參數，并在MIMO系統中廣泛采用。EVM，通常被認為是接收信號星座圖的誤差(RCE)，因為在星座圖中RCE得到了直觀的顯示，RCE實際上就是理想信號和測量信號的向量差，并可以作為MIMO發射機調制精度和信號質量和接收機性能的直接測量。EVM測量捕獲了信號幅度和相位誤差并將定義傳輸的RF信號失真的許多參數減少到一個參數，允許各個發射機之間的比較。其他重要的MIMO發射機測試包括群延時的評估和群延時的變化，相位噪聲，放大壓縮和信號處理中分量的I/Q失配。由以上因素引起的信號失真一般都可以通過星座圖上的EVM看出來。

在星座圖EVM中，對于理想的信號，所有星座點應該與理想的位置精確重合。但信號和分量并不完美，諸如相位噪聲和載波泄露等因素會讓星座圖上的星座點從理想位置偏移。EVM即是這個偏移的測量，除了整體EVM作為MIMO系統測試參數，EVM作為頻率和EVM作為時間功能也能提供MIMO發射機性能的分析。另外，EVM顯示的載波和符號的對比可以提供MIMO發射機性能的進一步細節。

星座圖EVM上精確的點的定位顯示了一個優秀的MIMO系統的性能。在一個采用OFDM和64QAM的2×2 MIMO系統中，采用顏色來區別不同的發射機信號和導頻載波。在圖3所示的星座圖中，紅點和藍點表示了2×2 MIMO系統中的兩路信號，Tx0和Tx1，它們覆蓋在白點上，白點代表了子載波理想的位置。黃點代表了導頻載波，與表示理想導頻載波的白點重合。

圖3 EVM星座圖提供潛在MIMO系統問題的示意圖，這些問題包括噪聲（模糊的圓點），I/O不平衡（偏移的圓點）和相位噪聲（圓點變成了圓環）

這樣的顏色定義的圖表讓發射信號問題的定位十分簡單。例如，紅色或藍色的子載波星座點如果從理想的白色點偏移就表示I/Q不平衡，而星座點出現模糊則表示傳輸信號有噪聲，星座點呈現圓環狀則意味著過多的相位噪聲。

與更為常見的X-Y坐標圖一起，信道的一系列測量顯示了MIMO系統中相對子載波的標圖矩陣和信號矩陣的健康程度。圖4中對信道翻轉和符號傳輸的系統能力的測量，可以用來確定MIMO系統中各個信號流的正交性。通過傳輸反轉的符號，系統的覆蓋性可以得到分析，通過傳輸并行的符號，系統吞吐量可以得到評估。

圖4 X-Y圖示表明了MIMO信道子載波的正交性，標示了子載波的情況

信道響應測量顯示了子載波的平坦度，這是子載波。例如一個IEEE 802.16e OFDM信道上的測量（如圖5所示），綠色的軌跡顯示了信號從第一個發射機（Tx0）到第一個接收機（Rx0）的功率；上面的紅色軌跡顯示了信號從第二個發射機（Tx1）到第二個接收機（Rx1）的功率；藍色軌跡顯示了信號從第一個發射機（Tx0）到第二個接收機（Rx1）的功率；下面的紅色軌跡顯示了信號從第二個發射機（Tx1）到第一個接收機（Rx0）的功率。對應子載波的功率電平指出了信道平坦度，主要信號和間接信號的區別顯示了信道隔離（圖例中小于40dB）。這些測量通過直接將發射機和接收機用同軸電纜連接來進行。

圖5通過直接連接MIMO的發射機和接收機，可評估信道平坦度和信道隔離度，示例中為一個2×2 MIMO系統

一系列針對時域和頻域的測量可以顯示出MIMO性能在不同的情況下會改變。例如，對應OFDM符號時間的EVM測量可以指出隨著時間變化的干擾問題或性能變化。對應子載波的EVM測量可以用來分析帶內噪聲效應，例如，假信號。針對OFDM符號時間的功率測量可分離出帶內幅度偏差。針對OFDM符號時間的頻率測量可以用來檢查頻率精度，分離出一個信息包內一段時間的頻率漂移問題。

硬件構造
針對MIMO測量的測試系統必須精確地模擬MIMO系統的工作，可以產生需要的信號頻率、幅度和相位，可以在測試設備（DUT）中捕獲和分析信號。測試系統必須支持采用的調制格式，并支持測試中的所有調制帶寬。對于測試信號產生過程，一個任意波形發生器或者矢量信號發生器（VSG）需要提供對產生實際測試信號的控制，而一臺矢量信號分析儀（VSA）可以作為測試接收機。為MIMO系統設計的一切測試系統應該能提供配對發射機和接收機數量需要的測試信號源數量和信號分析儀數量，還應該能滿足以后的升級需求。例如，吉時利公司提供的MIMO測試系統可從單一VSG和VSA升級到8×8信道系統，并可以靈活的對信號源和分析儀在那個范圍里面進行配置。

如果多個信號源和分析儀的同步是MIMO測量中最基本的，那么這些儀器還需要一個普通的參考示波器。例如，在圖6所示的吉時利公司(www.keithley.com)的2×2 MIMO測量系統中，VSA和VSG設備需要專門的同步組件。這些組件提供一些通用的信號，例如，本地振蕩、通用時鐘和精確觸發，提供低的采樣和RF載波相位抖動，這對于OFDM MIMO信號的精確和可重復測量是非常必要的。特別的，同步組件提供低于1°的峰峰值抖動。

圖6 這個MIMO測試系統基于多通道向量信號發生器（VSG），向量信號分析儀（VSA），和由計算機控制工作的同步組件和客戶定制測量軟件

MIMO測試系統的有效和簡單使用也要同時依靠系統的測試軟件。隨著MIMO技術在無線通信系統中的不斷采用，實用測試軟件(off-the-shelf test software)在簡單化系統和信道測量中得到普遍采用。例如，吉時利公司的SignalMeisterRF通信測試工具包軟件Model 290101，提供了諸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO應用的復雜信號產生和信號分析能力。這個軟件包與吉時利公司的VSG、VSA和MIMO同步組件無縫配合，為復雜的通信系統組建了一個完整的測量系統。除了EVM和MIMO信道響應測量，該軟件還可以應對SISO系統的評估。

我們目前討論的測試和測量可以用來評估理想狀態下MIMO通信系統和系統中元器件的性能。不過在信號較弱的情況下MIMO系統的表現又該如何呢？在這種情況下，需要不同種類的測試類型，例如，信道模擬器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系統和元器件的分析方法，這些削弱包括信號衰減、高斯白噪聲(AWGN)、信道串擾、甚至多普勒效應——通常由車內通信終端針對基站的移動產生。

信道模擬器必須作為MIMO系統中的發射機和接收機，還必須具備削弱信號和增加延時等模擬真實世界環境的能力。一個合格的信道模擬器還提供軟件定義無線電模組，例如，WiMAX中的ITU M.1225 A和B。一個實用的信道模擬器必須超越被測系統的性能，并提供需要時用于生產測試的能力。模擬器還需要具有雙向功能，這樣既可以提供上行鏈路測試還能提供下行測試。通過另外提供互易校準測試（calibrated reciprocal tests），模擬器對于采用波束成形技術的MIMO系統測試非常有用。最后，盡管本文舉的例子是針對2×2 MIMO系統的，但一個有效的信道模擬器還能支持4×4 MIMO系統，來實現各種MIMO系統的完整支持。例如，Azimuth系統公司的ACE 400WB信道模擬器就是一個支持4×4 MIMO系統測試的雙向組件。