本文討論多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)在先進(jìn)3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移動(dòng)應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)與解決方案,。借助增強(qiáng)的頻譜效率,,MIMO 能夠保證實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率,并通過將電子信息嵌入到空間處理單元來提高無線系統(tǒng)的性能,??臻g處理包括在發(fā)射機(jī)上進(jìn)行空間預(yù)編碼和在接收機(jī)上進(jìn)行空間后編碼,從信息信號(hào)處理理論角度講,,它們彼此之間進(jìn)行的是雙重處理,。MIMO 技術(shù)與 OFDM(正交頻分多路復(fù)用)相結(jié)合可以充分利用無線信道空間分集和多徑的特征,實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的 3G 寬帶無線通信和高頻譜利用率,。
在無線通信系統(tǒng)中,,在發(fā)射機(jī)和/或接收機(jī)上使用多個(gè)天線開辟了一個(gè)新的維度空間。如果能夠正確利用這一技術(shù),,可以極大地提高性能,,它現(xiàn)在被廣泛地稱為 MIMO(多路輸入多路輸出)系統(tǒng)。在術(shù)語 MIMO 中,,“輸入”和“輸出”指的是無線信道,。發(fā)射機(jī)的多個(gè)天線意味著有多個(gè)信號(hào)輸入到無線信道中,接收機(jī)的多個(gè)天線是指有多個(gè)信號(hào)從無線信道輸出,。圖 1 是對(duì) SISO,、SIMO、MISO 和 MIMO 系統(tǒng)的簡單演示,。通過本圖,,您可以很容易理解對(duì)于發(fā)射機(jī)天線(T)和 接收機(jī)天線(R)的 MIMO 系統(tǒng)來說,如果每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道獨(dú)立進(jìn)行衰落,,則信道分集階數(shù)為 T2R,。
不同的 MIMO 應(yīng)用
在一個(gè)密集的多徑散射環(huán)境中,MIMO 系統(tǒng)可充分利用通過空間分隔的天線獲得空間分集,。MIMO 系統(tǒng)能夠通過許多不同方法來實(shí)施,,以獲得抵抗信號(hào)衰落的分集增益或者容量增益。通常,,MIMO 技術(shù)具有三種類型,。第一類旨在通過最大化空間分集提高功率效率。此類技術(shù)包括延遲分集、空時(shí)分組編碼(STBC)和空時(shí)網(wǎng)格碼(STTC),。第二類利用豐富的散射環(huán)境中的空間復(fù)用,,通過天線傳輸相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)信號(hào),以提高數(shù)據(jù)速率,,但通常不能夠達(dá)到完整的空間分集,。第三類利用的是發(fā)射機(jī)的信道信息,又稱為波束賦形,。它利用信道信息建立波束賦形矩陣,,作為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的前置濾波器和后置濾波器的,以實(shí)現(xiàn)容量增益,??臻g分集
無線信道中信號(hào)功率的波動(dòng)非??焖?。信號(hào)功率顯著下降時(shí),信道處于衰落狀態(tài),。分集用于在無線信道中抵抗衰落,。接收天線分集可在 SIMO 通道中使用。接收天線接收同一信號(hào)獨(dú)立的衰落狀態(tài),,并與這些信號(hào)相結(jié)合,,使得合成信號(hào)的幅度變化小于任一天線的信號(hào)。通常使用獨(dú)立衰落信道數(shù)來描述分集的特征,,這一數(shù)目也稱為“分集階數(shù)”,,并且如果同一發(fā)射天線針對(duì)所有接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性,則分集與 SIMO 信道中接收天線的數(shù)量相等,。發(fā)射分集適用于 MISO 信道并且已經(jīng)成為備受關(guān)注的研究領(lǐng)域,。提取分集需要適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)。在接收機(jī)上使用合適的組合方案,,以獲得分集增益,。如果所有發(fā)射天線到同一接收天線的信道具有獨(dú)立的衰落特性,則該信道的分集與發(fā)射天線的數(shù)量相等,。
圖 2 給出了一個(gè)簡單的發(fā)射機(jī)分集方案實(shí)例,,也稱為 Alamouti 空時(shí)編碼。在指定的符碼周期,,兩個(gè)天線同時(shí)發(fā)出兩個(gè)信號(hào),。在符碼周期 t1,分別從天線 0 和天線 1發(fā)送信號(hào)s0和s1,,在下一個(gè)符碼周期 t2 內(nèi),, 天線 0發(fā)送信號(hào) -s1*,天線 1發(fā)送信號(hào) s0*,其中 ( )* 是復(fù)共軛運(yùn)算,。這一序列如圖 2 所示,。編碼是在空時(shí)編碼中完成的,也可在空頻編碼中完成,??墒褂脙蓚€(gè)相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個(gè)相鄰的符碼周期。使用 MIMO 信道的分集需要將上述發(fā)射和接收分集相結(jié)合,。如果每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道獨(dú)立衰落,,則分集順序與發(fā)射和接收天線的數(shù)量相等。
空間復(fù)用
空間復(fù)用可以為相同帶寬的信號(hào)提供線性增長的傳輸速率,,而且不會(huì)造成額外的功率損耗,。
圖 3 給出了含有兩個(gè)發(fā)射天線的簡單的空間復(fù)用系統(tǒng),這一概念可擴(kuò)展到更普遍的 MIMO 系統(tǒng)中,。發(fā)射的比特流被去復(fù)用到兩個(gè)具有一半速率的子比特流中,,由每個(gè)發(fā)射天線同時(shí)進(jìn)行調(diào)制和發(fā)射。例如在圖 3 中,,在符碼周期 t1 內(nèi),,天線 0發(fā)射 符號(hào)s0,從天線 1 發(fā)射符號(hào)s1,。在符碼周期 t2 內(nèi),, 天線 0 發(fā)射符號(hào)s2,天線 1 發(fā)射符號(hào)s3,。因此,,發(fā)射速率是 SISO 系統(tǒng)的兩倍。在最佳的信道條件下,,接收機(jī)端接收到的信號(hào)的空間特性,可以被很好的分離,。接收機(jī)根據(jù)信道信息可以對(duì)兩個(gè)同信道信號(hào)進(jìn)行區(qū)別和提取。進(jìn)行解調(diào)之后,,子比特流能夠相互結(jié)合產(chǎn)生原始比特流,。所以,空間復(fù)用所能提高的傳輸速率與發(fā)射接收天線對(duì)的數(shù)量成正比,??臻g復(fù)用還可用于多用戶格式,也就是空分多址或 SDMA,。假設(shè)兩個(gè)用戶發(fā)射獨(dú)立的信號(hào),,這兩個(gè)信號(hào)均到達(dá)一個(gè)配有兩個(gè)天線的基站。該基站可以分離這兩個(gè)信號(hào),,以支持兩個(gè)用戶同時(shí)使用信道,。這使容量能夠根據(jù)基站的天線數(shù)量和用戶數(shù)量成比例的增加,。
波束賦形
在空間分集和空間復(fù)用中,通常認(rèn)為發(fā)射機(jī)不了解信道信息,。當(dāng)發(fā)射機(jī)具備信道信息時(shí),,可改善系統(tǒng)性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的,。完整的信道信息意味著發(fā)射機(jī)已知信道矩陣,。部分信息可能指的是瞬時(shí)信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計(jì)特性(例如發(fā)射或接收的相關(guān)特性)。圖 4 顯示了使用信道信息的預(yù)編碼框架,。發(fā)射信號(hào)(S0,,S1)與預(yù)編碼相乘,這可以解釋為波束賦形,。經(jīng)過預(yù)編碼之后,,兩個(gè)分離的數(shù)據(jù)流可從兩個(gè)發(fā)射天線同時(shí)發(fā)送,作為空間復(fù)用,,但是矩陣編碼器將根據(jù)信道信息發(fā)生變化,。假設(shè)發(fā)射機(jī)已經(jīng)知道發(fā)射相關(guān)矩陣,則可以使用相關(guān)矩陣的特征矩陣建立預(yù)編碼矩陣,,以優(yōu)化遍歷容量,。將 2 X 2 預(yù)編碼矩陣表示為 W,,則符碼周期 t1 內(nèi)的發(fā)射符碼為:
同樣,,可以使用預(yù)編碼矩陣表示發(fā)射符碼 x2 和 x3。在這個(gè)預(yù)編碼方案中,,傳輸速率與發(fā)射接收天線對(duì)的數(shù)量成正比,。
MIMO 性能的信道依賴性
對(duì)于無線通信系統(tǒng)來說,信道是關(guān)鍵因素,,它決定系統(tǒng)的性能,。例如,通過損耗和衰落可導(dǎo)致信號(hào)幅度衰減,,多徑可導(dǎo)致符碼間干擾,。雖然 MIMO 開辟了一個(gè)新維度空間可以極大地提高性能,但是分集或容量增益是否能夠真正實(shí)現(xiàn)依賴于信道特性,。在 STBC 應(yīng)用中,,是否能夠達(dá)到分集增益取決于信道分集階數(shù)。只有當(dāng)每個(gè)發(fā)射接收天線對(duì)之間具有獨(dú)立衰落通道時(shí),,信道分集階數(shù)才等于發(fā)射和接收天線的數(shù)量,。這意味著如果發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有高相關(guān)特性,則可以獲得的分集增益將非常有限,??臻g復(fù)用應(yīng)用還要求信道獨(dú)立特性,。只有在最佳信道條件下,不同的空間信號(hào)流才能夠被很好地分離,,這就是說發(fā)射接收天線對(duì)之間的信道具有低相關(guān)特性,。
MIMO 性能測試中的挑戰(zhàn)
隨著 MIMO 系統(tǒng)發(fā)射機(jī)/接收機(jī)單元的增加,產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的復(fù)雜程度也在迅速增加,,這也給 MIMO 性能測試帶來了挑戰(zhàn),。如上所述,MIMO 的性能取決于信道,,為了研究不同信道條件下的接收機(jī)性能,,必須使用 MIMO 信道。在早期設(shè)計(jì)和驗(yàn)證周期內(nèi),,直接在真實(shí)的無線信道環(huán)境中進(jìn)行測試并不是一種有效方法,。這非常耗時(shí),由于信道敏感和多變,,重復(fù)生成研究問題是非常困難的,。使用軟件生成信道系數(shù)是另一種選擇,但也并非理想方法,。因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)的系數(shù)生成和卷積運(yùn)算過程是極為耗時(shí)和占用資源的,,所以只使用軟件來仿真信道行為在實(shí)時(shí)測試中是不可行的。另外,,信道模型變得越來越復(fù)雜,,不同的通信標(biāo)準(zhǔn)要求使用不同的信道模型和測試環(huán)境。重復(fù)生成所有這些信道模型和測試環(huán)境將加重設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān),,而且耗時(shí)的測試將減緩故障診斷過程和開發(fā)周期,。因此,專業(yè)的 MIMO 信道仿真器是這些工程師加快工作進(jìn)程的關(guān)鍵工具,。
MIMO 信道仿真器使用功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以重復(fù)生成設(shè)定的,、真實(shí)的信道環(huán)境,這使工程師能夠在早期部署和設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段隔離性能問題,,并為元器件或系統(tǒng)的全面故障診斷提供最快速的方法,。目前的 SISO 信道仿真器無法有效地解決 MIMO 性能測試問題。首先,,每臺(tái)接收機(jī)需要對(duì)不同發(fā)射機(jī)的信號(hào)流進(jìn)行求和運(yùn)算;第二,,多級(jí)并聯(lián) SISO 信道仿真器無法仿真不同信道的相關(guān)特性,而這是 MIMO 信道的一個(gè)重要特點(diǎn);第三,,滿足所需的信道數(shù)量要求對(duì)于 SISO 信道仿真器來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),。
可仿真真實(shí) MIMO 信道的專業(yè)儀器為應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜的測試條件提供了最佳解決方案。信道仿真器(例如 N5106A PXB MIMO 接收機(jī)測試儀)使用功能強(qiáng)大的數(shù)字處理技術(shù)可以重復(fù)生成真實(shí)的 MIMO 條件,,從而能夠在設(shè)計(jì),、部署和驗(yàn)證周期早期快速隔離性能問題,。信道仿真器還具有一個(gè)優(yōu)勢,它可以生成真實(shí)的衰落環(huán)境,,包括路徑和信道相關(guān)性,,具有更低的實(shí)施成本和更快的校準(zhǔn)流程。
圖 5. Agilent N5106A MIMO 接收機(jī)測試儀可提供多達(dá) 4 個(gè)基帶發(fā)生器和 8 個(gè)衰落器,,這有助于對(duì)高達(dá) 4x2 MIMO 的系統(tǒng)進(jìn)行測試和故障診斷,。Agilent Signal Studio 信號(hào)生成軟件在該測試儀上運(yùn)行,并為工程師提供最新的標(biāo)準(zhǔn)一致性信號(hào)生成功能,。
圖 6 顯示了測試 2x2 MIMO 接收機(jī)的簡化配置圖,。該測量儀器與兩個(gè)用于信號(hào)上變頻的射頻信號(hào)發(fā)生器相連,儀器內(nèi)部基帶發(fā)生器生成標(biāo)準(zhǔn)一致性波形,,例如 LTE 信號(hào),。通過軟件的圖形化界面用戶可以清楚地看到基帶發(fā)生器與信道衰落器之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。每臺(tái)衰落器能夠使用標(biāo)準(zhǔn)一致性衰落模型進(jìn)行獨(dú)立配置,,如 使用3GPP LTE 標(biāo)準(zhǔn) 36.101 Annex B,,或者使用各種路徑和衰落條件定制可配置的模型。與獨(dú)立的衰落器不同,,儀器的自動(dòng)功率校準(zhǔn)功能消除了進(jìn)行衰落所需的枯燥,、耗時(shí)的系統(tǒng)設(shè)置。
總結(jié)
本文概述了先進(jìn)的3G無線通信系統(tǒng)中的 MIMO 技術(shù),,介紹了空間分集,、空間復(fù)用和波束賦形的基本概念以及它們對(duì) MIMO 性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時(shí),,MIMO 技術(shù)具有提高信號(hào)的強(qiáng)健性和擴(kuò)充容量的潛力,。開發(fā)和測試 MIMO 元器件和系統(tǒng)要求使用能夠輕松配置的先進(jìn)信道仿真工具,,并為真實(shí)的無線信道和條件提供精確表征,。本文還與讀者分享了如何使用市場上有售的儀器(例如 Agilent N5106A PXB MIMO 接收機(jī)測試儀)來仿真這些復(fù)雜信道。