无线MIMO测试开发策略

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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。
采用OFDM调制的无线信号本质上是由一系列相互正交的子载波构成的，这些子载波彼此形成了最佳的隔离，因此一个调制后的子载波处于最大功率时，其临近调制后子载波正好处于过零点或功率最小处，而一些子载波作为保护频带来实现隔离并防止临近信道干扰。为了增强鲁棒性，许多通信标准采用的OFDM采用了小衰减间隔，让多路信号分量随时间衰减，这样这些信号就不会对下一个接收机收到的传输符号产生干扰。
通过采用反向傅里叶变换对OFDM的子载波进行数字信号处理，可将其结合到一个信号流里面传输并可恢复原信号。因为保留多流信号的相对相位和频率关系，这些信号流就可以并行的在单一信道传输，所以就可以实现在不增加带宽的前提下提高数据吞吐量。
与SISO通信系统相比，MIMO系统（图1b）同时采用多无线信号和多天线，多个数据流在同一通信信道传输。这些多路的数据流由媒体接入控制（MAC）层在通信链路两端进行协调。MIMO系统不需要天线的对称排列，例如，两个发射要配备两个接收（2×2）或者四个发射要配备四个接收（4×4），可以进行“不平衡”配置，例如四个发射配备三个接收的4×3配置。
要增加SISO系统的数据吞吐量，需要更为复杂的调制方式，或者增加带宽，或进行两者的结合。加倍SISO系统吞吐量最简单的方法是将带宽加倍。要增加MIMO系统的吞吐量，发射器、接收器和相应天线的数量需要增加。通过采用多天线和信号传播路径的空间多路技术，MIMO系统可以在不增加信道带宽的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。
MIMO系统利用接收信号的变更来增加数据吞吐量，接收到的信号被看作未知信号（发送的符号）的联立方程。多路信号路径的多样性变化让这些联立方程解决的更加简单，并提升了吞吐量。
SISO的信道容量与MIMO系统相比如何呢？香农定律指明了SISO通信系统的信道吞吐量为
C=BLog2(1+S/N)
式中：C为信道容量（单位b/s）,B为信道带宽（单位Hz）,S为带宽上总的信号功率（单位W或者V2）,N为带宽上总的噪声功率（单位W或者V2）。当该公式用于MIMO应用时：
C=ABlog2(1+S/N)
式中：A为发射天线的数量。
该等式指出了MIMO系统中发射天线数量与信道容量的直接关系。一个MIMO系统在同一物理信道上利用空间复用技术用多天线传输多路数据流，数据流在不改变符号速率的情况下在多个发射机上进行发送。通过增加更多的发射机和发射天线，系统的吞吐量在带宽不变的情况下得到提升。
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
不同的信道对接收信号产生影响，例如，衰减和多经影响，可由同样的代数方程矫正，关系式为
Rx=H*Tx+n
式中：Rx表示接收天线的Rx1，Rx2，…，Rxn矩阵，Tx表示发射天线的Tx1,Tx2，…，Txn矩阵。对于一个2×2 MIMO系统，关系如图2的矩阵。
这些关系式中的信号包含幅段、频率和相位分量，所以用向量表示很实用。简单而言，在一个测量系统中用向量来表示这些信号也很实用。
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。
在星座图EVM中，对于理想的信号，所有星座点应该与理想的位置精确重合。但信号和分量并不完美，诸如相位噪声和载波泄露等因素会让星座图上的星座点从理想位置偏移。EVM即是这个偏移的测量，除了整体EVM作为MIMO系统测试参数，EVM作为频率和EVM作为时间功能也能提供MIMO发射机性能的分析。另外，EVM显示的载波和符号的对比可以提供MIMO发射机性能的进一步细节。
星座图EVM上精确的点的定位显示了一个优秀的MIMO系统的性能。在一个采用OFDM和64QAM的2×2 MIMO系统中，采用颜色来区别不同的发射机信号和导频载波。在图3所示的星座图中，红点和蓝点表示了2×2 MIMO系统中的两路信号，Tx0和Tx1，它们覆盖在白点上，白点代表了子载波理想的位置。黄点代表了导频载波，与表示理想导频载波的白点重合。

图3 EVM星座图提供潜在MIMO系统问题的示意图，这些问题包括噪声（模糊的圆点），I/O不平衡（偏移的圆点）和相位噪声（圆点变成了圆环）
这样的颜色定义的图表让发射信号问题的定位十分简单。例如，红色或蓝色的子载波星座点如果从理想的白色点偏移就表示I/Q不平衡，而星座点出现模糊则表示传输信号有噪声，星座点呈现圆环状则意味着过多的相位噪声。
与更为常见的X-Y坐标图一起，信道的一系列测量显示了MIMO系统中相对子载波的标图矩阵和信号矩阵的健康程度。图4中对信道翻转和符号传输的系统能力的测量，可以用来确定MIMO系统中各个信号流的正交性。通过传输反转的符号，系统的覆盖性可以得到分析，通过传输并行的符号，系统吞吐量可以得到评估。

图4 X-Y图示表明了MIMO信道子载波的正交性，标示了子载波的情况
信道响应测量显示了子载波的平坦度，这是子载波。例如一个 IEEE 802.16e OFDM信道上的测量（如图5所示），绿色的轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第一个接收机（Rx0）的功率；上面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第二个接收机（Rx1）的功率；蓝色轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第二个接收机（Rx1）的功率；下面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第一个接收机（Rx0）的功率。对应子载波的功率电平指出了信道平坦度，主要信号和间接信号的区别显示了信道隔离（图例中小于40dB）。这些测量通过直接将发射机和接收机用同轴电缆连接来进行。

图5通过直接连接MIMO的发射机和接收机，可评估信道平坦度和信道隔离度，示例中为一个2×2 MIMO系统
一系列针对时域和频域的测量可以显示出MIMO性能在不同的情况下会改变。例如，对应OFDM符号时间的EVM测量可以指出随着时间变化的干扰问题或性能变化。对应子载波的EVM测量可以用来分析带内噪声效应，例如，假信号。针对OFDM符号时间的功率测量可分离出带内幅度偏差。针对OFDM符号时间的频率测量可以用来检查频率精度，分离出一个信息包内一段时间的频率漂移问题。
硬件构造
针对MIMO测量的测试系统必须精确地模拟MIMO系统的工作，可以产生需要的信号频率、幅度和相位，可以在测试设备（DUT）中捕获和分析信号。测试系统必须支持采用的调制格式，并支持测试中的所有调制带宽。对于测试信号产生过程，一个任意波形发生器或者矢量信号发生器（VSG）需要提供对产生实际测试信号的控制，而一台矢量信号分析仪（VSA）可以作为测试接收机。为MIMO系统设计的一切测试系统应该能提供配对发射机和接收机数量需要的测试信号源数量和信号分析仪数量，还应该能满足以后的升级需求。例如，吉时利公司提供的MIMO测试系统可从单一VSG和VSA升级到8×8信道系统，并可以灵活的对信号源和分析仪在那个范围里面进行配置。
如果多个信号源和分析仪的同步是MIMO测量中最基本的，那么这些仪器还需要一个普通的参考示波器。例如，在图6所示的吉时利公司(www.keithley.com) 的2×2 MIMO测量系统中，VSA和VSG设备需要专门的同步组件。这些组件提供一些通用的信号，例如，本地振荡、通用时钟和精确触发，提供低的采样和RF载波相位抖动，这对于OFDM MIMO信号的精确和可重复测量是非常必要的。特别的，同步组件提供低于1°的峰峰值抖动。

图6 这个MIMO测试系统基于多通道向量信号发生器（VSG），向量信号分析仪（VSA），和由计算机控制工作的同步组件和客户定制测量软件
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。
信道模拟器必须作为MIMO系统中的发射机和接收机，还必须具备削弱信号和增加延时等模拟真实世界环境的能力。一个合格的信道模拟器还提供软件定义无线电模组，例如，WiMAX中的ITU M.1225 A和B。一个实用的信道模拟器必须超越被测系统的性能，并提供需要时用于生产测试的能力。模拟器还需要具有双向功能，这样既可以提供上行链路测试还能提供下行测试。通过另外提供互易校准测试（calibrated reciprocal tests），模拟器对于采用波束成形技术的MIMO系统测试非常有用。最后，尽管本文举的例子是针对2×2 MIMO系统的，但一个有效的信道模拟器还能支持4×4 MIMO系统，来实现各种MIMO系统的完整支持。例如，Azimuth系统公司(www.azimuthsystems.com)的ACE 400WB信道模拟器就是一个支持4×4 MIMO系统测试的双向组件。