MIMO在WiMAX和LTE中的应用及测试解决方案

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　   MIMO出现的背景
　　随着无线通信的迅速发展，对系统的容量和频谱效率提出了越来越高的要求。为此人们作出了各种努力，如扩展系统带宽，优化调制方式，或者采用复杂的码分多址系统等来满足这一要求。但这些方法的应用终归是有限的。很显然，带宽不可能无限的扩展，调制阶数不可能无限的增高，码分多址系统信道之间不可能理想的正交。为此，MIMO（Mutiple input Mutiple output）系统应运而生，它通过采用空时编码（STC）,利用多天线阵列实现空分复用，在有限的带宽内极大地提高了频谱效率。因此，MIMO成为Wimax, LTE, 802.11n以及几乎所有未来‘热门’的无线通信系统所必不可少的关键技术之一。
　　MIMO与OFDM
　　MIMO适用于所有的无线通信技术。它与OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)的结合应用更具优势。MIMO系统的信道模型是建立在非频率选择性的窄带信道基础之上，而OFDM通过许多正交的子载波将宽带系统窄带化，且通过前向纠错技术（FEC），能很好地对抗频率选择性衰落。此外，OFDM还为MIMO提供了更多的自由度，即允许空时编码的时间尺度可以应用于某几个子载波，从而实现更优的系统性能。


　　表1列出了MIMO在目前一些‘热门’通信标准中的应用，其中除3GPP Release 7外，其它标准均采用OFDM技术。
　　MIMO系统实现上的考虑
　　MIMO系统要求传输信道之间尽可能的互不相关，因此除了选择适当的编码方式和应用于高‘散射’的信号传输环境之外，还要求天线之间必须有足够的距离（在BS端大约为10~20倍信号波长，在MS端至少为一倍信号波长）。此外，更多的天线及收发链路意味着更大的硬件、空间占用和功率消耗。因此对于MS侧，两根天线以上的MIMO方案是很难实现的，在BS侧，发射天线的数目也会受到一定的限制。
　　WiMAX对MIMO的支持
　　IEEE 802.16-2004 标准对MIMO的支持比较有限，仅考虑了Alamouti 编码方案，而且不是强制的。IEEE 802.16e 对 MIMO提供了强有力的支持，对于Downlink, 它既支持空分复用，也支持空间分集，其方案如图1。


　　对于Uplink，IEEE 802.16e也定义了几种可供选择的方案，如图2所示。但对于移动WiMAX，只采用了Collaborative SM方案，在这种方案下，各自只带一根天线的两台MS在相同时间相同信道上发送不同的数据，它们之间通过导频（pilot）符号来区分。


　　LTE对MIMO的支持
　　LTE采用2X2配置作为MIMO的基本配置，即基站和终端各两根天线，未来也考虑4X4配置。在下行方向，LTE MIMO同时支持空分复用和空间分集两种模式。这些下行的数据流可以属于同一用户（single user MIMO / SU-MIMO)，也可以是不同的用户 (multi user MIMO / MU-MIMO)。
　　LTE有两个固定的码字用于不同空间层的映射，且该映射关系固定。空间层的个数等于信道矩阵的‘秩’，也即能同时传输的独立数据流个数。当该矩阵的‘秩’为1时，就使用发射分集的方式，这时只需要传输一个码字。
　　在空分多址模式下，通过对信号乘以一个预编码矩阵进行预编码，该矩阵从预定义好的码字集（codebook）中选取。UE通过估计信道质量选取较优的预编码矩阵后，通过上行控制信道反馈给BS。对不同的数据块可选择不同的预编码矩阵。其下行基带信号的产生框图如图3：


　　在发射分集模式下，与WiMAX不同，LTE 采用SFBC（Space Frequency Block Coding）编码，即在某一时刻，天线端口发送相同的数据符号，但这些数据映射在不同的子载波上，且具有不同的编码。
　　LTE上行MIMO采用了MU-MIMO（Multiple user MIMO）方式，与WiMAX的Collaborative SM方案非常类似，每个UE只需要一根天线，在相同的资源块上同时发送数据，它们通过彼此正交的导频符号来区分。

　　R&S公司MIMO测试解决方案
　　作为无线测试领域的引导者，R&S公司提供了业界领先的MIMO测试解决方案。对于2X2 MIMO，在信号发生端，对于频率3GHz以下的应用，只需要在R&S公司的双通道矢量信号源R&S SMU200A（业界唯一内置信道模拟功能的双通道矢量信号源）上添加一个MIMO选件即可。
　　以WiMAX为例，添加MIMO选件后，可以很方便地支持Matrix A，Matrix B两种模式，而且可自由选择该路基带模拟天线0或者天线1。对于LTE MIMO的支持也同样非常方便。

         上述方案的优点在于，在同一台仪器内实现两路射频，可以很方便地解决复杂的相位相关问题，不管是使用仪器内部的LO还是外部的LO都一样。通过LO输出口，可方便地进行级联扩展，实现更多路信号或者系统级的相位相关，如图4：


　　此外，R&S SMU200A强大的衰落模拟功能使得这一方案尤具吸引力，可提供四个衰落信道，衰落路径最多可达40径，时间分辨率高达10ps，并以矩阵的方式定义各衰落信道的幅度和相位相关性。
　　为了进一步方便用户使用，R&S SMU200A还预定义了包括WiMAX，LTE等若干数字标准的衰落场景，使用户不必进行复杂的设置。
　　对于2X2 MIMO 3GHz～6GHz的应用，因为SMU200A第二路射频最高只能支持3GHz，采用了如图5的方案：


　　其中，R&S AMU200A可以看作是R&S SMU200A的基带部分，而R&S SMATE200A可以看作是R&S SMU200A的射频部分，它将R&S SMU200A的第二路射频扩展到6GHz。
　　对于2X2 MIMO的信号分析端测试方案如图6，即用两台R&S公司的高端频谱仪FSG或信号分析仪FSQ模拟两个接收通道，通过使用一个外部的相位相关盒实现两个接收通道之间的相位相关。


　　在MIMO信号分析端，对WiMAX的支持采用了分阶段实现的方法，首先支持发射分集(Matrix A)，然后加上对UL MIMO的支持，最后再加上对空分多址(Matrix B)的支持。对LTE MIMO，从一开始即实现包括空分多址和空间分集的完全MIMO信号测试的支持。
　　R&S公司基于其性能卓越的双通道矢量信号源R&S SMU200A(或R&S AMU200A+R&S SMATE200A)和频谱分析仪FSQ/FSG，提供了业界领先的MIMO测试解决方案（目前为2X2 MIMO），为MIMO领域的研发人员提供了一柄不可或缺的利器。