无线MIMO架构测试的不同种类比较及开发策略

引言

有限的带宽和不断增加的新的无线服务的需求为通信领域新技术的采用开辟了道路，这些非传统技术有效提升了数据容量。新采用的这些技术中的一种就是利用多天线设计的多输入、多输出(MIMO)系统架构。MIMO利用了发送和接收天线之间的空间分集技术——由信号衰落和多径环境引起的多信号路径产生——来增加数据吞吐量而无须额外的增加带宽。但相比传统的单流架构MIMO，系统复杂度增加了许多，带来了更大的测试挑战，需要独特的设备和测试方法。

本文介绍了MIMO测量的不同种类，包括噪声和干扰对于信道的损害，并提供一些图片示例方便大家对于测量结果的理解。

对于新近的无线通信标准，高数据吞吐量是最基本的要求，这些新标准MIMO都有参与，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移动WiMAX Wave 2和3GPP长期演进(LTE)。这些新系统都结合了MIMO和OFDM或者OFDMA(正交频分多址接入)的采用，来实现在不增加信道带宽的前提下增加数据吞吐量。

SISO与MIMO比较

在传统的单输入、单输出(SISO)通信系统中(如图1a所示)，例如，传统的IEEE 802.11a/b/g无线局域网络(WLAN)系统，一个无线链路采用了单发射器和单接收器。也许会在每个通信链路终端上采用多个天线，但在同一时刻只有一套天线被采用，并只有一个载波传输单流的数据。在理想的通信信道中，无线信号从发射器到接收器只通过单一路径传输，但无线信道中的障碍物(比如楼宇和各种地形)和移动影响产生了多径效应，因此，接收器会接收到多个信号。反射的信号由于相比直接传输的信号传播路径更长，会受到衰减和延迟的影响。因为传输路径的不同，这些反射信号的相位也各不相同。因此，接收机信号的重建面临难度，会造成接收信号强度的波动。较强的多径效应会降低吞吐量或者造成数据丢失。

图1 传统的SISO架构的无线信号链路(a)，采用一对天线在同一时间进行发射和接收而MIMO系统(b)同时采用多信号和多天线

因为在指定通信信道中，OFDM通常与MIMO进行组合来增强数据吞吐量，所以在探讨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系统中得到了采用。在MIMO的基础上，采用OFDM可以进一步提升数据吞吐量，而无须增加带宽或改变调制阶数——比如从16QAM变成 64QAM系统。

为MIMO系统建模必须考虑多数据流的数量，包括到达接收机的直接和反射信号。按照传统的方法，将发射器分别表示为 Tx1，Tx2，…，Txn，将接收机表示为Rx1，Rx2，…，Rxn，一个MIMO通信系统可由一个矩阵信号向量hxy的形式表示，其中x表示发射机的数量，y表示接收机的数量。例如，h21表示两个发射机和一个接收机，而h22表示两个发射机和两个接收机(如图2所示)。通过这种方法，一个MIMO 信道可以这样建模：

y=H*x+n

式中：y为接收信号向量，H为信道矩阵(hxy信号元素)，x为发射信号向量，n为噪声向量。

图2 MIMO系统中的无线信道可由一系列不同的向量来表示

测量挑战

MIMO技术在数据吞吐量上的提高，增加了系统复杂性，为评估MIMO系统和系统中元器件的测试和测量设备带来新的设计挑战。在决定最佳的MIMO测量仪器之前，也许有必要先确定一个描述MIMO通信信道性能的测量类型。MIMO测量一般可以分为系统级测量、信道响应测量和MIMO系统中使用的元器件的功能性测量。

已经说明了MIMO信号由频率、幅度和相应的相位分量定义，对MIMO信号的测量必须对以上三个信号特征分量进行精确和真实的测定。另外 MIMO系统通常是基于对接收信号进行零中频(zero-IF)下变频到基带I、Q信号分量的系统。要得到高的调制精度，必须保持I、Q信号分量的保真度，这需要信号路径所有的部件具有高性能和低失真，包括放大器、滤波器、混频器、I/Q调制和解调器等部件。

在许多无线系统中，误差向量幅度(EVM)是评估性能的标准参数，并在MIMO系统中广泛采用。EVM，通常被认为是接收信号星座图的误差 (RCE)，因为在星座图中RCE得到了直观的显示，RCE实际上就是理想信号和测量信号的向量差，并可以作为MIMO发射机调制精度和信号质量和接收机性能的直接测量。EVM测量捕获了信号幅度和相位误差并将定义传输的RF信号失真的许多参数减少到一个参数，允许各个发射机之间的比较。其他重要的 MIMO发射机测试包括群延时的评估和群延时的变化，相位噪声，放大压缩和信号处理中分量的I/Q失配。由以上因素引起的信号失真一般都可以通过星座图上的EVM看出来。

开发策略

MIMO测试系统的有效和简单使用也要同时依靠系统的测试软件。随着MIMO技术在无线通信系统中的不断采用，实用测试软件(off- the-shelf test software)在简单化系统和信道测量中得到普遍采用。例如，吉时利公司的SignalMeisterRF通信测试工具包软件Model 290101，提供了诸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO应用的复杂信号产生和信号分析能力。这个软件包与吉时利公司的VSG、VSA和MIMO同步组件无缝配合，为复杂的通信系统组建了一个完整的测量系统。除了EVM和MIMO信道响应测量，该软件还可以应对SISO系统的评估。

我们目前讨论的测试和测量可以用来评估理想状态下MIMO通信系统和系统中元器件的性能。不过在信号较弱的情况下MIMO系统的表现又该如何呢？在这种情况下，需要不同种类的测试类型，例如，信道模拟器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系统和元器件的分析方法，这些削弱包括信号衰减、高斯白噪声(AWGN)、信道串扰、甚至多普勒效应——通常由车内通信终端针对基站的移动产生。