MIMO的應(yīng)用及測(cè)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(hào)的相互耦合，打開(kāi)了一個(gè)新的測(cè)量領(lǐng)域，在原先使用的單一信道測(cè)試上提出了新的性能測(cè)量需求。
本白皮書(shū)選自安捷倫“MIMO十大須知”中的一部分，其目的是讓用戶對(duì)MIMO技術(shù)的運(yùn)用和測(cè)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(duì)于無(wú)線電系統(tǒng)或相關(guān)測(cè)試的影響?？蓮陌步輦惿暾?qǐng)十大須知的宣傳資料(本白皮書(shū)的最后有訂購(gòu)信息)。
須知一：空間復(fù)用技術(shù)至少需要兩個(gè)發(fā)射機(jī)和兩個(gè)接收機(jī)。兩個(gè)接收機(jī)應(yīng)設(shè)在相同位置。
一些多天線技術(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)線鏈路的頻譜效率。而實(shí)際上，空間復(fù)用技術(shù)能夠在根本上增加系統(tǒng)容量，它與分集技術(shù)一樣重要，兩種技術(shù)經(jīng)常結(jié)合使用。所以移動(dòng)臺(tái)可以只有兩個(gè)天線，基站可以配有四個(gè)天線。
參看圖1，空間復(fù)用的關(guān)鍵在于同時(shí)發(fā)射用戶數(shù)據(jù)的不同部分。當(dāng)信號(hào)通過(guò)包括天線在內(nèi)的無(wú)線電信道進(jìn)行傳輸時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)一些相互耦合。
圖1：移動(dòng)通信中非對(duì)稱MIMO的運(yùn)用。
MIMO技術(shù)的巧妙之處就在于避免了發(fā)射信號(hào)的互相干擾，這就需要我們知道信號(hào)是如何耦合的。在這個(gè)過(guò)程中需要和發(fā)射機(jī)的數(shù)目一樣多的接收機(jī)，這也就引出了我們的第一項(xiàng)須知。
因?yàn)樾枰獙⒃确蛛x發(fā)送的多路碼流(在3GPP LTE中稱為碼字)在接收端耦合恢復(fù)成原始信息，因此需要將多個(gè)接收機(jī)放在相同位置。
而對(duì)于信號(hào)后處理來(lái)說(shuō)，由于測(cè)量軟件(如安捷倫89600 VSA)能夠組合來(lái)自多個(gè)輸入的IQ數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信號(hào)分離和分析，所以不需限制將接收機(jī)硬件放置在相同位置。還有一種特殊情況，信號(hào)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(jī)，就可以恢復(fù)每一路碼流。
如果被測(cè)試信號(hào)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(hào)。Agilent N4011A MIMO多端口轉(zhuǎn)接器即是WLAN中采用該技術(shù)的一個(gè)設(shè)備實(shí)例。
圖2：LTE中的不同MIMO信道訓(xùn)練子載波。
須知二：MIMO技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)下行鏈路和上行鏈路中的應(yīng)用是不同的。
在WLAN中上下行無(wú)線鏈路是對(duì)稱的，但是這一模型針對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)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(jī)。在很多設(shè)計(jì)中擁有四個(gè)或更多的發(fā)射機(jī)，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(tái)都有兩個(gè)接收機(jī)。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(tái)也可能會(huì)使用兩個(gè)接收機(jī)。
圖1中還顯示了將傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用到碼流和層時(shí)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)。用戶數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)被分離成多路碼流。如果同時(shí)使用空間復(fù)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(hào)恢復(fù)過(guò)程由兩個(gè)階段組成。
在WLAN和WiMAX中，用戶傳輸數(shù)據(jù)被復(fù)用到多路碼流中時(shí)使用相同調(diào)制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中則可能對(duì)每一路碼流使用不同調(diào)制方式。因此信道恢復(fù)與數(shù)據(jù)恢復(fù)之間有明顯區(qū)別，這是有關(guān)MIMO的另一個(gè)基本原理。
MIMO信號(hào)在通過(guò)信道傳輸時(shí)會(huì)相互耦合，在對(duì)各路碼流進(jìn)行解調(diào)之前，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分離。為此，接收機(jī)需要知道不同發(fā)射機(jī)的信道訓(xùn)練信息，這種信道訓(xùn)練機(jī)制被稱為“非盲”。
在WiMAX和LTE信號(hào)中都有信道訓(xùn)練部分。不同發(fā)射機(jī)使用不同的信道估計(jì)子載波，使所有發(fā)射機(jī)的信道估計(jì)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(qū)分發(fā)射機(jī)。
圖2給出LTE發(fā)射機(jī)兩路信號(hào)的頻譜圖，并放大了一段訓(xùn)練符號(hào)頻譜分量。可以清晰地看出，LTE參考信號(hào)(RS)子載波使用的頻率不同。和WiMAX中的導(dǎo)頻有一點(diǎn)不同，LTE的參考信號(hào)每三個(gè)或四個(gè)符號(hào)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(shù)。
須知四：相位差對(duì)開(kāi)環(huán)MIMO沒(méi)有影響。
開(kāi)環(huán)MIMO是指發(fā)射信號(hào)是直接映射的，沒(méi)有使用信道反饋對(duì)信號(hào)進(jìn)行耦合(預(yù)編碼)。
換句話說(shuō)，只有對(duì)不同信號(hào)耦合兩次時(shí)，相位才有影響，正如兩個(gè)不同頻率的連續(xù)波信號(hào)發(fā)生耦合，這樣可以更容易理解。第一次合成信號(hào)時(shí)，兩個(gè)信號(hào)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(duì)它們進(jìn)行耦合，兩個(gè)信號(hào)間將存在相同部分，并將作為矢量求和。結(jié)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(jié)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(hào)或接收信號(hào)相位的影響。這是因?yàn)樵陂_(kāi)環(huán)MIMO中，發(fā)射信號(hào)沒(méi)有被再次耦合，信號(hào)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(tái)時(shí)仍然可以正常工作。順便指出，在這種情況下不能應(yīng)用預(yù)編碼，一方面是因?yàn)檩斎霐?shù)據(jù)只對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)自身有效，另一方面也是因?yàn)闊o(wú)法控制兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的相位關(guān)系。
圖3是一個(gè)上行多用戶(協(xié)作)MIMO(MU-MIMO)測(cè)試的配置。虛線表示在實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的過(guò)程，由基站控制各移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射定時(shí)和功率，使各信號(hào)到達(dá)基站接收機(jī)時(shí)得以對(duì)準(zhǔn)。各移動(dòng)臺(tái)根據(jù)基站的參考信號(hào)調(diào)整自己的頻率。在測(cè)試中還可以使用電纜，并對(duì)定時(shí)、功率及頻率偏移施加其它類型的干擾，用以驗(yàn)證接收機(jī)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(cè)量。
多數(shù)工程師開(kāi)始時(shí)都采用單輸入測(cè)量，不僅因?yàn)槠錅y(cè)量簡(jiǎn)單，而且該測(cè)量還可利用已有設(shè)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(xùn)練的子載波，使用單輸入分析儀的測(cè)量也非常重要。
圖3：上行鏈路的多用戶(協(xié)作)MIMO需要系統(tǒng)具有對(duì)功率、頻率和定時(shí)對(duì)準(zhǔn)的處理能力。圖中所示的Agilent MXG帶有基于Signal Studio軟件的測(cè)試配置，可以分別改變以上參數(shù)。
信道隔離度作為解調(diào)過(guò)程測(cè)試的一部分，可以很容易被測(cè)量出來(lái)。這里假設(shè)信號(hào)在發(fā)射機(jī)里沒(méi)有發(fā)生串?dāng)_。在LTE中，沒(méi)有對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，即使應(yīng)用了預(yù)編碼，信道隔離度也不會(huì)對(duì)測(cè)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(hào)只需要使用一個(gè)接收機(jī)，所有只需要單端口輸入分析儀就可對(duì)其進(jìn)行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信號(hào)也可以分別進(jìn)行分析，雖然不可能完全去掉多余的串?dāng)_。將單輸入分析儀依次接到各個(gè)發(fā)射機(jī)輸出端，就可以進(jìn)行相應(yīng)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(cè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將符號(hào)對(duì)準(zhǔn)后，得到相對(duì)定時(shí)及射頻相位測(cè)量值。這一方法完全消除了附加設(shè)備的影響，測(cè)量分辨率分別達(dá)到次納秒級(jí)和度。
DL2×1 STC(時(shí)空碼)或2×2 MIMO
2個(gè)發(fā)射機(jī) 功率合成器 信號(hào)分析儀 發(fā)射信號(hào)通過(guò)功率合成器后進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)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(cè)量。 汽車防盜機(jī)相關(guān)文章:汽車防盜機(jī)原理 頻譜分析儀相關(guān)文章:頻譜分析儀原理
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