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)移動應(yīng)用中的實現(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。空間處理包括在發(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)上使用多個天線開辟了一個新的維度空間。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)的多個天線意味著有多個信號輸入到無線信道中，接收機(jī)的多個天線是指有多個信號從無線信道輸出。圖 1 是對 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，如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立進(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施，以獲得抵抗信號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、空時分組編碼(STBC)和空時網(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立的數(shù)據(jù)信號，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，以實現(xiàn)容量增益。
空間分集
無線信道中信號功率的波動非?？焖?。信號功率顯著下降時，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獨立的衰落狀態(tài)，并與這些信號相結(jié)合，使得合成信號的幅度變化小于任一天線的信號。通常使用獨立衰落信道數(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)射天線針對所有接收天線的信道具有獨立的衰落特性，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)計發(fā)射信號。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 給出了一個簡單的發(fā)射機(jī)分集方案實例，也稱為 Alamouti 空時編碼。在指定的符碼周期，兩個天線同時發(fā)出兩個信號。在符碼周期 t1，分別從天線 0 和天線 1發(fā)送信號s0和s1，在下一個符碼周期 t2 內(nèi)， 天線 0發(fā)送信號 -s1*，天線 1發(fā)送信號 s0*，其中 ( )* 是復(fù)共軛運算。這一序列如圖 2 所示。編碼是在空時編碼中完成的，也可在空頻編碼中完成?？墒褂脙蓚€相鄰的載波(空頻編碼)來替代兩個相鄰的符碼周期。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。如果每個發(fā)射接收天線對之間的信道獨立衰落，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提供線性增長的傳輸速率，而且不會造成額外的功率損耗。
圖 3 給出了含有兩個發(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)用到兩個具有一半速率的子比特流中，由每個發(fā)射天線同時進(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s0，從天線 1 發(fā)射符號s1。在符碼周期 t2 內(nèi)， 天線 0 發(fā)射符號s2，天線 1 發(fā)射符號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)信道信息可以對兩個同信道信號進(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)兩個用戶發(fā)射獨立的信號，這兩個信號均到達(dá)一個配有兩個天線的基站。該基站可以分離這兩個信號，以支持兩個用戶同時使用信道。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，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信道的某些參數(shù)(例如矩陣信道的條件數(shù))或統(tǒng)計特性(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(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，兩個分離的數(shù)據(jù)流可從兩個發(fā)射天線同時發(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。在這個預(yù)編碼方案中，傳輸速率與發(fā)射接收天線對的數(shù)量成正比。
MIMO 性能的信道依賴性
對于無線通信系統(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)致信號幅度衰減，多徑可導(dǎo)致符碼間干擾。雖然 MIMO 開辟了一個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)每個發(fā)射接收天線對之間具有獨立衰落通道時，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)用還要求信道獨立特性。只有在最佳信道條件下，不同的空間信號流才能夠被很好地分離，這就是說發(fā)射接收天線對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)計和驗證周期內(nèi)，直接在真實的無線信道環(huán)境中進(jìn)行測試并不是一種有效方法。這非常耗時，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。因為發(fā)射信號的系數(shù)生成和卷積運算過程是極為耗時和占用資源的，所以只使用軟件來仿真信道行為在實時測試中是不可行的。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)計工程師的負(fù)擔(dān)，而且耗時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)字信號處理技術(shù)可以重復(fù)生成設(shè)定的、真實的信道環(huán)境，這使工程師能夠在早期部署和設(shè)計驗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，每臺接收機(jī)需要對不同發(fā)射機(jī)的信號流進(jìn)行求和運算;第二，多級并聯(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 信道的一個重要特點;第三，滿足所需的信道數(shù)量要求對于 SISO 信道仿真器來說是一個巨大的挑戰(zhàn)。
可仿真真實 MIMO 信道的專業(yè)儀器為應(yīng)對這些復(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)生成真實的 MIMO 條件，從而能夠在設(shè)計、部署和驗證周期早期快速隔離性能問題。信道仿真器還具有一個優(yōu)勢，它可以生成真實的衰落環(huán)境，包括路徑和信道相關(guān)性，具有更低的實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 個基帶發(fā)生器和 8 個衰落器，這有助于對高達(dá) 4x2 MIMO 的系統(tǒng)進(jìn)行測試和故障診斷。Agilent Signal Studio 信號生成軟件在該測試儀上運行，并為工程師提供最新的標(biāo)準(zhǔn)一致性信號生成功能。
圖 6 顯示了測試 2x2 MIMO 接收機(jī)的簡化配置圖。該測量儀器與兩個用于信號上變頻的射頻信號發(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。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應(yīng)關(guān)系。每臺衰落器能夠使用標(biāo)準(zhǔn)一致性衰落模型進(jìn)行獨立配置，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。與獨立的衰落器不同，儀器的自動功率校準(zhǔn)功能消除了進(jìn)行衰落所需的枯燥、耗時的系統(tǒng)設(shè)置。
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 MIMO 性能的影響。在用于豐富的多徑環(huán)境時，MIMO 技術(shù)具有提高信號的強(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。