MIMO原理及測(cè)試

1、MIMO原理及測(cè)試 ( 2009/10/30 10:11 )摘要介紹了MIMO的基本原理，并在此基礎(chǔ)上對(duì)MIMO在不同移動(dòng)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，最后介紹了R&S公司的相應(yīng)測(cè)試解決方案。1 引言對(duì)于所有的無(wú)線通信系統(tǒng)而言，無(wú)論是3GPP UMTS這樣的移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還是像WLAN那樣的無(wú)線局域網(wǎng)，除了通過(guò)高階調(diào)制或更大的信號(hào)帶寬這樣傳統(tǒng)的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)速率以外，還可以通過(guò)多天線技術(shù)來(lái)提高信道的容量。作為未來(lái)移動(dòng)通信的必選項(xiàng)目，MIMO已經(jīng)引起了更多的關(guān)注，而對(duì)于MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，也成為通信行業(yè)的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。本文在介紹MIMO的基本原理以及在MIMO不同移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，

2、介紹R&S公司提供的相應(yīng)測(cè)試解決方案，可以滿足不同客戶、不同標(biāo)準(zhǔn)及不同階段的MIMO系統(tǒng)測(cè)試需求。2 MIMO基本原理根據(jù)不同的傳輸信道類(lèi)型，可以在無(wú)線系統(tǒng)中使用相應(yīng)的分集方式。目前，主要的分集方式包括時(shí)間分集（不同的時(shí)隙和信道編碼）、頻率分集（不同的信道、擴(kuò)頻和OFDM）以及空間分集等。多天線系統(tǒng)利用的就是空間方式，而MIMO作為典型的多天線系統(tǒng)，可以明顯提高傳輸速率。而在實(shí)際的無(wú)線系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際情況使用一種或者多種分集方式。2.1 傳統(tǒng)的無(wú)線系統(tǒng)（SISO）傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)往往使用單個(gè)發(fā)射天線和單個(gè)接收天線，稱之為SISO系統(tǒng)（見(jiàn)圖1）。圖1 SISO天線配置根據(jù)香農(nóng)定理，無(wú)線信道容量

3、C由信號(hào)帶寬和信噪比決定。如公式1所示： 公式12.2 多天線系統(tǒng)典型的MIMO系統(tǒng)如圖2所示，包含m個(gè)發(fā)射天線和n個(gè)接收天線。根據(jù)無(wú)線信道的特性，每個(gè)接收天線都會(huì)接收到不同發(fā)射天線的內(nèi)容，因此不同收發(fā)天線間的信道沖擊響應(yīng)均有不同的表現(xiàn)形式。圖2 通用的MIMO形式如果定義發(fā)射天線1與接收天線1之間為h11，發(fā)射天線1和接收天線2之間定義為h21。這樣可以得到nm的傳輸矩陣，也就是我們所說(shuō)的傳輸信道矩陣形式，如公式2所示： 公式2當(dāng)收發(fā)天線間的信道為窄帶時(shí)不變系統(tǒng)時(shí)，可以得到MIMO系統(tǒng)接收信號(hào)表現(xiàn)形式為：公式3其中，接收信號(hào)Y，發(fā)射信號(hào)X及噪聲n。在MIMO系統(tǒng)中，發(fā)射天線的數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)獨(dú)

4、立的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流M的數(shù)目一般小于或等于天線的數(shù)目。如果收發(fā)天線之間并不相等，那么等于或小于收發(fā)端最小的天線數(shù)目。例如，44的MIMO系統(tǒng)可以用于傳送4個(gè)或者更少的數(shù)據(jù)流，而32的MIMO系統(tǒng)可以發(fā)送兩個(gè)或者小于兩個(gè)的數(shù)據(jù)流。理論上，傳輸信道的容量會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)流的數(shù)目線性增長(zhǎng)，MIMO系統(tǒng)的信道容量表示如公式4決定。公式4對(duì)于目前的無(wú)線通信系統(tǒng)，MIMO的基本形式有如下幾種：（1）單用戶MIMO（SU-MIMO）：如果MIMO系統(tǒng)用于增加一個(gè)用戶的速率，稱之為單用戶MIMO（見(jiàn)圖3）。圖3 SU-MIMO（2）多用戶MIMO（MU-MIMO）：如果每個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流分配給不同的用戶，稱之為多用戶。

5、這種模式主要對(duì)上行鏈路有用。從UE的復(fù)雜程度和體積來(lái)看，每個(gè)UE只能有一個(gè)發(fā)射天線，因此稱之為“協(xié)同MIMO”，MU-MIMO如圖4所示。圖4 MU-MIMO（3）循環(huán)時(shí)延分集（CDD）：在OFDM系統(tǒng)中，CDD已經(jīng)作為常規(guī)技術(shù)被廣泛使用。對(duì)CDD而言，相當(dāng)于在不同天線的發(fā)射信號(hào)之間存在相應(yīng)的時(shí)延。其實(shí)質(zhì)相當(dāng)于在OFDM系統(tǒng)中引入了虛擬的時(shí)延回波成分，可以在接收端增加相應(yīng)的選擇性。因?yàn)镃DD引入了額外的分集成分，所以往往被認(rèn)為是空分復(fù)用的補(bǔ)充表現(xiàn)形式。2.2.1 空間分集空間分集對(duì)應(yīng)于在不同的傳輸信道發(fā)送相對(duì)冗余的數(shù)據(jù)，這樣可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的空間分集包含一下幾種形式：（1）接收分集接

6、收分集是在接收端使用比發(fā)射端更多的天線，最基本的接收分集包含2個(gè)接收天線和1個(gè)發(fā)射天線（SIMO，12），具體參見(jiàn)圖5。圖5 SIMO天線配置因?yàn)椴恍枰厥獾木幋a方式，因此比較容易實(shí)現(xiàn)。在接收端只需2個(gè)射頻通路。同時(shí)由于存在不同的傳輸路徑，接收端可以觀察到兩個(gè)不同的衰落信號(hào)。在接收端使用適當(dāng)?shù)姆椒ǎ梢栽黾咏邮斩说男旁氡?。常用的方法包括開(kāi)關(guān)選擇分集和最大比例合并。選擇開(kāi)關(guān)分集總是使用較強(qiáng)的信號(hào)，而最大比例合并，是使用兩個(gè)信號(hào)之和。具體形式參見(jiàn)圖6。圖6 接收分集（2）發(fā)射分集如果發(fā)射天線數(shù)目比接收天線數(shù)目更多，稱之為發(fā)射分集。最簡(jiǎn)單的發(fā)射分集形式是用2個(gè)發(fā)射天線和1個(gè)接收天線（MISO，21）

7、，具體參見(jiàn)圖7。圖7 MISO天線配置在21的MISO系統(tǒng)中，兩個(gè)天線發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。Alamouti的空時(shí)碼是應(yīng)用最廣泛的天線編碼方式?？諘r(shí)編碼可以增加空間分集的性能：信號(hào)的副本通過(guò)不同的天線在不同的時(shí)間進(jìn)行發(fā)送。發(fā)送的時(shí)延稱為時(shí)延分集。Alamouti空時(shí)編碼的實(shí)現(xiàn)方式如圖8所示。圖8 Alamouti編碼在Alamouti編碼中，信源首先被分為兩組，每組兩個(gè)字符。在第一個(gè)給定的字符間隔內(nèi)，每組中的兩個(gè)字符被同時(shí)發(fā)射：從天線1發(fā)射的信號(hào)為S1，從天線2發(fā)射的信號(hào)為S2。在下一個(gè)字符間隔內(nèi)，信號(hào)-S2*從天線1發(fā)射，信號(hào)S1*從天線2發(fā)射。目前，Alamouti編碼已經(jīng)擴(kuò)展到多天線系統(tǒng)。

8、當(dāng)然，Alamouti編碼也可以在頻域?qū)崿F(xiàn)，此時(shí)稱為空頻編碼。2.2.2 空分復(fù)用空分復(fù)用不僅僅是為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也可以增加傳輸速率。為了提高傳輸速率，數(shù)據(jù)可以分成幾個(gè)數(shù)據(jù)流，然后在不同的天線上進(jìn)行傳輸。空分復(fù)用的天線形式如圖9所示。圖9 MIMO天線配置因?yàn)镸IMO通過(guò)無(wú)線信道進(jìn)行傳輸，不同的收發(fā)天線之間都存在相應(yīng)的傳輸信道。同時(shí)由于每個(gè)傳輸路徑的沖擊響應(yīng)的存在，因此不同的傳輸信道之間存在相互影響。根據(jù)公式2和公式3，如果MIMO系統(tǒng)的傳輸矩陣H是已知的，那么從接收機(jī)可以得到不同天線的數(shù)據(jù)內(nèi)容。2.2.3 波束形成通過(guò)使用不同的天線技術(shù)可以明顯地增加網(wǎng)絡(luò)容量。例如，對(duì)于不同扇區(qū)的天

9、線，每個(gè)天線可以覆蓋60或120度，作為一個(gè)工作小區(qū)。在GSM系統(tǒng)中，相比于全向天線而言，采用120度波束天線可以提高3倍的小區(qū)容量。自適應(yīng)天線陣列可以通過(guò)窄帶波束實(shí)現(xiàn)空間分集。智能天線屬于自適應(yīng)天線陣列的一種。智能天線可以形成一個(gè)特定用戶的波束，并且可以根據(jù)反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。智能天線可包括切換式波束形成和自適應(yīng)波束形成，可以用于所有的天線陣列系統(tǒng)以及MIMO系統(tǒng)（見(jiàn)圖10）。圖10 切換波束形成和自適應(yīng)波束形成切換式波束形成可以計(jì)算到達(dá)角并且切換固定的波束。用戶只能沿波束方向才可以得到最優(yōu)的信號(hào)強(qiáng)度。而自適應(yīng)波束形成可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)的終端而實(shí)時(shí)地調(diào)整波束方向，因此自適應(yīng)波束形成要比切換

10、式波束形成的復(fù)雜程度更高，花費(fèi)也更大。 3 無(wú)線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)目前，MIMO已經(jīng)成為未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)的必選項(xiàng)目，都會(huì)采用相應(yīng)的分集和復(fù)用技術(shù)。以下簡(jiǎn)單介紹不同標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)應(yīng)MIMO的不同表現(xiàn)形式。3.1 3GPP UMTS作為主流的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。從WCDMA開(kāi)始，已經(jīng)引入了很多提高傳輸速率的方法，包括HSDPA和HSUPA。最新版本包括HSPA+和LTE。3.1.1 HSPA+(3GPP R7/R8)R99（WCDMA）已經(jīng)引入了發(fā)射分集的概念，為了比R6版本的HSDPA可以得到更高的傳輸速率，R7版本的HSPA+采用了MIMO的技術(shù)。在下行鏈路中，可以采

11、用MIMO或64QAM的調(diào)制方式，對(duì)應(yīng)的峰值速率可以達(dá)到28Mbit/s，但在R7版本MIMO和64QAM不能同時(shí)使用。而在R8的標(biāo)準(zhǔn)中，MIMO和64QAM可以同時(shí)使用，峰值速率最高可達(dá)42Mbit/s，不支持上行MIMO。對(duì)于高速下行共享信道，MIMO使用兩個(gè)發(fā)射天線陣列，實(shí)現(xiàn)方式如圖11所示。圖11 PA+MIMO示意圖使用兩個(gè)發(fā)射天線陣列，兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流同時(shí)在無(wú)線信道內(nèi)傳輸，可以采用和WCDMA一樣的信道化碼。在擴(kuò)頻和加擾后，為了更好地在無(wú)線信道中傳輸，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的加權(quán)預(yù)編碼。此時(shí)需要得到4個(gè)14的加權(quán)因子。第一個(gè)數(shù)據(jù)流用加權(quán)因子1和2相乘，第二個(gè)數(shù)據(jù)流用加權(quán)因子3和4相乘，加權(quán)因

12、子由公式（5）決定。此時(shí)，1是固定的，2根據(jù)基站進(jìn)行選擇。為了保證正交，加權(quán)因子3和4根據(jù)1和2得到?；靖鶕?jù)上行終端選擇最優(yōu)的加權(quán)因子。除了在HS-DSCH中使用MIMO，加權(quán)的相關(guān)信息必須通過(guò)HS-SCCH控制信道傳送給終端UE。盡管在上行中不使用MIMO，但是和MIMO相關(guān)的信息仍然必須在上行鏈路中傳輸。終端UE在HS-DPCCH信道中發(fā)送相應(yīng)的預(yù)編碼控制指示和信道質(zhì)量指示，這樣可以讓基站根據(jù)信道情況來(lái)調(diào)整調(diào)制、編碼方式和預(yù)編碼的加權(quán)因子。關(guān)于HSPA+的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)。3.1.2 LTE(3GPP R8)3GPP R8版本中定義的LTE，采用降低延時(shí)和分組交換技術(shù)可以達(dá)到更高

13、的傳輸速率。LTE的多址方式下行采用OFDM，上行采用SC-OFDM，同時(shí)MIMO技術(shù)也是LTE的重要組成部分。LTE規(guī)定的調(diào)制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。下行的峰值速率最高可達(dá)300Mbit/s(44MIMO)和150Mbit/s(22MIMO)，上行最高可達(dá)75Mbit/s。LTE的下行鏈路如圖12所示。在LTE的下行傳輸中，LTE包括：?jiǎn)翁炀€傳輸，沒(méi)有MIMO；發(fā)射分集；開(kāi)環(huán)空分復(fù)用，無(wú)需UE反饋信號(hào)；閉環(huán)空分復(fù)用，需要UE反饋；多用戶MIMO（在指定的相同RB上有多個(gè)UE）；閉環(huán)預(yù)編碼；波束形成等幾種傳輸模式。圖12 LTE下行鏈路示意圖在LTE系統(tǒng)中，1個(gè)或2個(gè)碼字可以

14、映射到多個(gè)空間復(fù)用的傳輸層（圖12中的Layer Mapper模塊）。在空間復(fù)用之前，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)預(yù)編碼的過(guò)程（圖12中的Precoding模塊），也就是與根據(jù)碼本定義的預(yù)編碼矩陣W相乘，預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)發(fā)送到各個(gè)天線。在收發(fā)天線兩端都要經(jīng)過(guò)相同的預(yù)編碼過(guò)程。根據(jù)不同的天線數(shù)目以及空間復(fù)用和發(fā)射分集的方式，規(guī)范定義了不同的碼本。圖13為2天線情況下空分復(fù)用的預(yù)編碼矩陣形式。圖13 2天線情況下空分復(fù)用的預(yù)編碼矩陣形式在LTE的上行鏈路中，為了降低終端UE的復(fù)雜程度，采用MU-MIMO技術(shù)。在MU-MIMO技術(shù)中，多個(gè)UE每個(gè)使用一個(gè)發(fā)射天線，在相同的無(wú)線信道中進(jìn)行傳輸。3.2 WiMAXTM(8

15、02.16e-2005)WiMAX技術(shù)可以在20MHz的信道帶寬內(nèi)達(dá)到74Mbit/s的峰值速率。調(diào)制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。WiMAX的下行鏈路如圖14所示。WiMAX 802.16e標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已經(jīng)將MIMO定義為必選項(xiàng)。標(biāo)準(zhǔn)定義了大量不同的編碼和分布矩陣形式。原理上可以使用2，3，4個(gè)發(fā)射天線。在所有的模式中，可以選擇矩陣矩陣A，B，C。在圖14所示的譯碼模塊中，數(shù)據(jù)流與選擇的矩陣形式相乘，然后映射到不同的發(fā)射天線。圖14 下行WiMAX示意圖在實(shí)際的系統(tǒng)中，矩陣A和B實(shí)現(xiàn)方式如公式（6）所示。矩陣A對(duì)應(yīng)發(fā)射分集，矩陣B對(duì)應(yīng)空分復(fù)用（也稱為真正的MIMO），而在3天線和4天

16、線系統(tǒng)中，也存在相應(yīng)的矩陣形式。在WiMAX的上行MIMO中，僅僅是采用不同的導(dǎo)頻序列，編碼和映射方式與非MIMO方式相同。此外，SU-MIMO中兩個(gè)不同的用戶使用相同的信道（稱為協(xié)同MIMO，MU-MIMO）。3.3 WLAN（802.11n）根據(jù)802.11n的規(guī)范定義，WLAN需要在40MHz的帶寬內(nèi)達(dá)到峰值速率600Mbit/s。調(diào)制方式采用BPSK，QPSK，16QAM和64QAM。WLAN802.11n可以后向兼容802.11a/b/g。系統(tǒng)最多支持4個(gè)發(fā)射天線，對(duì)應(yīng)4個(gè)數(shù)據(jù)流。WLAN可以區(qū)別空間流SS和空時(shí)流STS。如果NSSNSTS，空時(shí)塊譯碼器會(huì)將空間流分配制空時(shí)流，并且通

17、過(guò)編碼實(shí)現(xiàn)發(fā)射分集。WLAN下行示意圖參見(jiàn)圖15。圖15 WLAN下行示意圖圖16給出了NSS = 1 and NSTS = 2的矩陣形式。圖16 NSS NSTS的編碼矩陣形式在空間映射模塊中，STS映射到發(fā)射鏈路(NTX)，可以提供3種不同的方式：首先是直接映射1到1從STC映射到TC；其次是空間擴(kuò)展，也就是另外用一個(gè)矩陣進(jìn)行相乘。圖17所示為2個(gè)空時(shí)流和3個(gè)發(fā)射天線的示例；最后是波束形成，也就是另外用一個(gè)矢量進(jìn)行相乘。圖17 兩個(gè)空時(shí)流和3個(gè)發(fā)射天線的示例矩陣3.4 其它通信標(biāo)準(zhǔn)未來(lái)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)采用MIMO技術(shù)，例如LTE Advanced，其目標(biāo)在下行鏈路100MHz的信號(hào)帶寬內(nèi)

18、達(dá)到1Gbit/s傳輸?shù)乃俾剩欢鴮?duì)于1x EV-DO Rev.C，要求在前向鏈路1.25MHz的信號(hào)帶寬內(nèi)速率達(dá)到18Mbit/s；另外，WiMAXTM 802.16m的目標(biāo)是在下行鏈路中的20MHz信號(hào)帶寬內(nèi)提供300Mbit/s的速率。4 R&S解決方案目前，R&S的測(cè)試設(shè)備可以為支持MIMO技術(shù)的所有移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)提供相應(yīng)的測(cè)試解決方案。信號(hào)發(fā)生器可以在非信令模式下支持MIMO系統(tǒng)上行和下行的接收機(jī)測(cè)試。信號(hào)分析儀主要用于發(fā)射機(jī)測(cè)試，而無(wú)線綜測(cè)儀提供信令模式下的射頻測(cè)試和協(xié)議測(cè)試。RF測(cè)試系統(tǒng)提供完整的RF一致性測(cè)試。4.1 信號(hào)發(fā)生器SMU200A是業(yè)界惟一的一臺(tái)雙通道矢量信號(hào)源。UE接

19、收機(jī)測(cè)試可以通過(guò)SMU信號(hào)發(fā)生器完成。SMU可以支持各種包含MIMO技術(shù)的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)（802.11n，802.16e和3GPP Rel7和Rel8）。SMU的界面如圖18所示。圖18 SMU界面此外，在SMU的MIMO選件中，可以對(duì)各個(gè)衰落信道間的相關(guān)性進(jìn)行設(shè)置。而且SMU衰落模擬器內(nèi)置了很多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)時(shí)的衰落場(chǎng)景，可以方便用戶直接調(diào)用。同樣SMU也可以支持AWGN功能，方便進(jìn)行相應(yīng)的接收測(cè)試。在單臺(tái)雙通道的SMU里，可以很方便地實(shí)現(xiàn)符合標(biāo)準(zhǔn)的22衰落模擬，同時(shí)可以支持多種通信標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)兩臺(tái)儀表級(jí)聯(lián)的方式，可以最多模擬4個(gè)天線。加裝相參選件SMU-B90和移相器以后，對(duì)于4個(gè)天線的波束形成

20、可以實(shí)現(xiàn)精確的相位關(guān)系設(shè)置（見(jiàn)圖19）。圖19 通過(guò)SMU-B90進(jìn)行到達(dá)角模擬AMU基帶信號(hào)發(fā)生及衰落模擬器除了可以生成符合各種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的基帶信號(hào)外，還可以通過(guò)數(shù)字IQ輸入/輸出接口為CMW500和SMATE提供MIMO衰落模擬。通過(guò)把AMU和SMATE相互連接的方式，可以提供和單臺(tái)雙通道SMU相同的功能，同時(shí)兩個(gè)通道的頻率都可以擴(kuò)展到6GHz。4.2 信號(hào)分析儀對(duì)于發(fā)射測(cè)試，F(xiàn)SQ/FSG/FSV信號(hào)/頻譜分析儀可以使用。它們可以用于各種通信標(biāo)準(zhǔn)的SISO測(cè)試，也可以用于大多數(shù)MIMO測(cè)試?yán)鏛TE標(biāo)準(zhǔn)中的Timing Alignment測(cè)試。圖20所示為業(yè)界最高端的信號(hào)分析儀FSQ

21、。圖20 高端信號(hào)分析儀FSQ通過(guò)把多臺(tái)FSx（最多支持4臺(tái)）儀表連接起來(lái)，可以同時(shí)測(cè)量和解調(diào)4個(gè)發(fā)射天線的信號(hào)。4.3 移動(dòng)臺(tái)測(cè)試CMW500寬帶無(wú)線綜測(cè)儀可以用于UE研發(fā)、生產(chǎn)和一致性測(cè)試的各個(gè)階段。作為L(zhǎng)TE協(xié)議測(cè)試，CMW500同時(shí)也可用于驗(yàn)證從協(xié)議層測(cè)試，也可以通過(guò)可編程接口進(jìn)行靈活的信令測(cè)試。除此之外，CMW500同樣也可以支持MIMO測(cè)試。圖21所示為寬帶無(wú)線綜測(cè)儀CMW500。圖21 寬帶無(wú)線綜測(cè)儀CMWCMW270 WiMAX?綜測(cè)儀提供了業(yè)界首臺(tái)WiMAX移動(dòng)臺(tái)測(cè)試的多功能一體解決方案：從信令模式下的移動(dòng)臺(tái)一致性測(cè)試到非信令模式下高速、價(jià)優(yōu)的生產(chǎn)測(cè)試。同時(shí)，CMW270還可以支持WiMAX?的MIMO測(cè)試，包括2天線的Matrix A和Matrix B。4.4 系統(tǒng)要完整地驗(yàn)證MIMO終端的性能，需要復(fù)雜的RF測(cè)試。MIMO同時(shí)也是射頻一致性測(cè)試和UE認(rèn)證過(guò)程中非常重要的測(cè)試項(xiàng)目