無線通信的未來始于今天的MIMO：WiMAX、HSPA+和LTE測試挑戰(zhàn)

通信市場和底層的語音和數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)的發(fā)展趨勢是在同一頻譜上提供更高的數(shù)據(jù)速率，以滿足日益增長的用戶需求。本文綜述了多入多出（MIMO）傳輸機(jī)制的底層標(biāo)準(zhǔn)，包括802.16e mobile-WiMAX Wave 2、HSPA+和LTE。其中涉及廣大工程師們在設(shè)計基于多射頻/天線技術(shù)的產(chǎn)品時用到的MIMO信號發(fā)生、調(diào)制質(zhì)量測量、信道仿真和波束賦形理論。

引言
MIMO技術(shù)將頻譜效率提升到了一個全新的水平，根據(jù)其采用的傳輸技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐率或者更大的覆蓋率。但是，頻譜效率的提高是以更高的復(fù)雜性為代價的。從概念上看，MIMO技術(shù)非常簡單：它采用多路射頻載波傳輸更多的信息，通過在占用相同帶寬的同一信道上傳輸所有信號的方式來提高頻譜效率。例如，2×2的MIMO射頻具有兩個發(fā)射器和兩個接收器，4×4的MIMO具有4個發(fā)射器和4個接收器。
目前很多MIMO系統(tǒng)采用的都是2×2配置架構(gòu)，但是市場的發(fā)展將會出現(xiàn)更大規(guī)模的配置。WLAN、WiMAX和LTE已經(jīng)采用了4×4的配置架構(gòu)。目前人們研究的波束賦形技術(shù)旨在在設(shè)備內(nèi)配置更大規(guī)模的射頻系統(tǒng)，以便為用戶盡可能提供最多的服務(wù)。目前，8×8甚至16×16的射頻配置是商用寬帶射頻研究領(lǐng)域的主流。

MIMO理論
MIMO的工作原理是對傳輸信道進(jìn)行精確建模，將多個接收到的符號分解恢復(fù)成單路數(shù)據(jù)流。為了說明這一原理，我們不妨以WLAN 802.11n為例（如圖1所示）。發(fā)射器以一個報文頭的形式發(fā)出一個已知信號。接收器據(jù)此構(gòu)建一個信道模型，用H表示。當(dāng)發(fā)出數(shù)據(jù)時，接收器根據(jù)信道模型盡可能逼近原始矢量，其中假設(shè)傳輸誤差用噪聲矢量（n）表示。

圖1 傳輸信道的原理

盡管信道建模理論適用于所有的MIMO系統(tǒng)，但是這一方法對于不同的標(biāo)準(zhǔn)是不同的。例如，在基于WLAN 802.11n的系統(tǒng)中，報頭信息在TX1和TX2上都進(jìn)行發(fā)射，但是基于WiMAX 802.16e Wave 2的系統(tǒng)僅僅在第一個發(fā)射器上發(fā)射報頭。經(jīng)過解析的傳輸路徑（即h11和和h22）稱為空間流。

測量系統(tǒng)的時間對準(zhǔn)
信道使信號發(fā)生失真有多種情況。例如，周圍物體的反射會導(dǎo)致信號的多個實(shí)例在不同的時間到達(dá)接收器（多路徑）。多路徑造成了幅值衰減以及時間和相位的延遲。從理論上，某個信號的信道失真越多，接收器算法就越難解析出原始發(fā)射信號。如果發(fā)射器或者接收器進(jìn)一步引入了幅值、時間和相位誤差，我們就無法對信道進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，就不能有效地解析出符號。

為了確保MIMO的測量有效而準(zhǔn)確，所采用的測量設(shè)備，即信號源（發(fā)射器）和分析儀（接收器），必須與它們本地的晶振進(jìn)行相位對準(zhǔn)，與參考頻率進(jìn)行時間對準(zhǔn)，確保D/A和A/D抽樣率一致，以盡可能地減少它們對信道的影響。理想地，如果相位誤差低于1°，時間對準(zhǔn)誤差小于1ns，那么就可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。

系統(tǒng)性能
調(diào)制質(zhì)量指標(biāo)：對于大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字傳輸系統(tǒng)而言，衡量調(diào)制質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)是實(shí)際接收到的符號矢量（或符號相位與幅值失真）與接收器期望值的對比情況。最常用的是EVM（誤差矢量幅值），但是不同的通信標(biāo)準(zhǔn)也存在不同的指標(biāo)，例如相對星誤差（Relative Constellation Error，RCE）。對于MIMO系統(tǒng)，總EVM也是一個很好的衡量指標(biāo)；通過計算RMS EVM可以從總體上表示各個發(fā)射器的調(diào)制質(zhì)量。

圖2(a) 信道行為建模

圖2(b) 衰減與矩陣條件

星圖：星圖是接收信號質(zhì)量的圖形化表示。MIMO系統(tǒng)有多種星圖。2×2系統(tǒng)有兩個星圖，表示兩個解析出的空間流：h11和h22。4×4系統(tǒng)有四個星圖。對于傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)，可以從星圖中得到同樣的質(zhì)量指標(biāo)，例如相位誤差、噪聲和IQ均衡。

信道響應(yīng)：信道響應(yīng)是表示空間流行為的一個關(guān)鍵指標(biāo)。在圖2(a)中，兩個發(fā)射器通過同軸電纜直接連接接收器。兩條平直的線表示h11和h22，而兩條像噪聲一樣的曲線表示h21和h12。這表明信道隔離度很高。在圖2(b)中，其中一條碼流引入了延遲。這在下面的OFDM符號中造成了大幅度的衰減。