MIMO及其對無線局域網(wǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)測試的影響

作者：時間：2016-10-18 來源：網(wǎng)絡(luò)

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多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)作為一種關(guān)鍵的性能增強(qiáng)技術(shù)至今已在WLAN(802.11)系統(tǒng)中運用五年多了。您可能會問，“MIMO系統(tǒng)到底有什么新穎之處，值得我們?nèi)绱藷崃业赜懻?”

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/201610/308938.htm

答案就在于無線視頻。無線視頻正迅速地驅(qū)動MIMO系統(tǒng)進(jìn)入平板電腦和其他移動平臺，并正在把WLAN系統(tǒng)的性能推向一個新的高度。用戶也期待基于WLAN技術(shù)流暢、可靠的視頻傳送。WLAN以往的應(yīng)用主要是基本的數(shù)據(jù)傳輸(電子郵件、網(wǎng)上沖浪、文件傳輸?shù)?，但是視頻傳送是完全不同的應(yīng)用，視頻傳送需要低延時和穩(wěn)定高速的數(shù)據(jù)速率來確保圖像的流暢。

MIMO技術(shù)在視頻傳送中的應(yīng)用

當(dāng)今，大量的設(shè)備正在使用802.11 MIMO 系統(tǒng)進(jìn)行視頻傳送。典型的應(yīng)用有平板電腦、筆記本電腦、甚至是智能手機(jī)與智能電視的無線連接。此外，802.11 MIMO 系統(tǒng)正日益廣泛地被用于家庭影音環(huán)境，比如說：將視頻內(nèi)容從一部數(shù)碼錄像機(jī)(DVR)傳輸?shù)诫娨暀C(jī)或電視機(jī)頂盒。這種傳輸方式的好處是能避免特殊的線路連接和復(fù)雜的安裝過程。

基于 WiFi無線視頻內(nèi)容共享的主要協(xié)議包括：

* Miracast – WiFi Alliance?支持的點對點網(wǎng)絡(luò)802.11無線標(biāo)準(zhǔn)，它具有整合1080P視頻和Dolby 5.1音頻的能力。安卓(Android)4.2就內(nèi)置了對Miracast的支持功能。

* AirPlay– Apple公司的專利技術(shù)，能由智能手機(jī)或平板電腦向連接 Apple TV裝置的電視機(jī)傳送視頻、音頻和圖片。

* WiFi Direct – 與 Miracast相似的、能整合視頻和音頻信號的點對點無線標(biāo)準(zhǔn)。安卓4.0以上系統(tǒng)都支持此協(xié)議。

正是由于上述標(biāo)準(zhǔn)化工作的開展，用MIMO技術(shù)增強(qiáng)的802.11技術(shù)正在迅速成為移動設(shè)備和固定設(shè)備之間傳送高清視頻內(nèi)容的基本技術(shù)。

MIMO技術(shù)在提高可靠性、頻譜效益和吞吐量方面的應(yīng)用

MIMO技術(shù)能用于優(yōu)化無線系統(tǒng)的關(guān)鍵性能。根據(jù)不同的實施方式，它能改善以下三種系統(tǒng)性能中的任意一種：

* 可靠性——確保正在被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能正確接收

* 頻譜效率——提高特定帶寬內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸量

* 吞吐量——提高無線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率

系統(tǒng)設(shè)計者可選擇在犧牲一個參數(shù)性能(如可靠性)的前提下充分優(yōu)化另一個參數(shù)(如吞吐量)，或者以較低的程度對全部參數(shù)(如吞吐量和可靠性)進(jìn)行優(yōu)化。

圖1中假設(shè)有一個最佳的高頻譜效益MIMO信道(一個具有奇異值平坦分布特性的信道矩陣)，我們發(fā)現(xiàn)，MIMO系統(tǒng)能以低得多的單位信息接收能量獲得較高的頻譜效益。

圖1：頻譜效益與信息位能量(Eb/N0，按噪音譜密度歸一化)的關(guān)系

此圖對四種不同MxM值的MIMO(多路輸入多路輸出)系統(tǒng)進(jìn)行了比較，并假設(shè)采用了有奇異值平坦分布特性的信道矩陣(資料來源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期)。

MIMO技術(shù)實施時，用戶可使用較高階數(shù)的系統(tǒng)(如更多的發(fā)射機(jī)和接收機(jī))以提高覆蓋范圍、可靠性和處理能力(bits/sec/Hz)。當(dāng)然，這通常會需要更多的天線布置空間以及更大的能耗。

圖2表明隨著系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)/接收機(jī)數(shù)量的增加，處理能力也得到相應(yīng)提高。

圖2：高階數(shù)MIMO系統(tǒng)應(yīng)用對吞吐量的影響

在圖2中您將注意到隨著MIMO階數(shù)的提高，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力(bits/sec/Hz)變得更大，這意味著更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，或者可增加更多的用戶數(shù)量。另外，圖中也可以看出，數(shù)據(jù)容量的顯著提高發(fā)生在1級無線設(shè)備升級為4級無線設(shè)備的過程中，之后，數(shù)據(jù)容量的提高速率逐漸降低。

考察當(dāng)前市場上已有的WLAN MIMO技術(shù)解決方案后，我們將發(fā)現(xiàn)智能手機(jī)和更小型化的移動裝置幾乎都是單一輸入與單一輸出(SISO)的解決方案。這主要歸因于天線空間和功耗。一個MIMO系統(tǒng)想要正常工作，各天線上的信號就需要不相關(guān)，不相關(guān)便意味著信號的增加不能以一種信號疊加后會產(chǎn)生峰值的形式進(jìn)行。在實際應(yīng)用中，天線與天線間的隔離度需保持在 6 dB左右以確保將實際系統(tǒng)中信號相關(guān)性控制在最低程度。這意味著天線與天線之間必須有一定的間距，而像智能手機(jī)等裝置中往往沒有多少空間，尤其是考慮到智能手機(jī)所必須支持的多種蜂窩通信和無線互聯(lián)技術(shù)的頻段時更是如此。

平板電腦等較大的裝置則能容納更多的天線和更大的天線間距。截至到本文發(fā)稿時，市場上已推出幾款 2x2 WLAN MIMO型平板電腦，這些產(chǎn)品能利用MIMO技術(shù)帶來的更高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和吞吐量。

筆記本電腦由于能保證較大的內(nèi)部天線空間(相當(dāng)或大于平板電腦)并配備了較大容量的電池(能支持更多的發(fā)射機(jī)，也不會降低電池壽命)，所以一般都是 2x2 或 3x3 的系統(tǒng)。

最后，4x4 WLAN MIMO系統(tǒng)也已開始出現(xiàn)，其初步應(yīng)用瞄準(zhǔn)了機(jī)頂盒的視頻傳送性能，因為機(jī)頂盒能從這種4x4 MIMO系統(tǒng)所提供的更好的傳輸可靠性和更大的數(shù)據(jù)容量中真正受益。

MIMO原理

傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)采用單一輸入與單一輸出(SISO)的設(shè)置方法，即在無線連接的兩個終端都使用一個發(fā)射機(jī)和一個接收機(jī)。數(shù)字信號處理領(lǐng)域的最新研究成果為我們帶來了多天線技術(shù)，它能顯著地提高數(shù)據(jù)吞吐量和改善無線連接的穩(wěn)定性。這些多天線技術(shù)就是我們稱為MIMO(多路輸入多路輸出)的技術(shù)，它在無線連接的各個終端都使用多個發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，在一定的信道條件下，能獲得比SISO高出幾倍的吞吐量。

MIMO技術(shù)僅指出了特定裝置的天線數(shù)量。MIMO定義中的“輸入”和“輸出”二詞分別表示一個無線信號在空間的發(fā)射和接收。而且，這能獨立地應(yīng)用到上行和下行兩種鏈路中。

從這個總的定義出發(fā)我們可以推理出更多特殊的多天線應(yīng)用實例，如：多重輸入單一輸出(MISO)，單一輸入多重輸出(SIMO)，以及多路輸入多路輸出(MIMO)。這些實際應(yīng)用可用圖3表示。

SIMO系統(tǒng)由于配備多個接收天線能形成接收分集，而MISO系統(tǒng)因為有多個發(fā)射天線，所以能形成發(fā)射分集。MIMO系統(tǒng)則綜合了SIMO和MISO兩種應(yīng)用的特點，它能同時利用發(fā)射分集和接收分集特性來改善無線連接的穩(wěn)定性，同時使用多個可辨別的空間信道來提高無線連接的吞吐量。本文將集中討論MIMO系統(tǒng)。

圖3：MISO、SIMO和MIMO構(gòu)架

MIMO技術(shù)根據(jù)信道條件可分為兩種工作模式，即空間復(fù)用模式(SM，Spatial Multiplexing)和空-時分組編碼(STBC，Space-Time Block Coding)模式。MIMO裝置會根據(jù)信道條件在SM和STBC兩種模式中動態(tài)切換以實現(xiàn)最佳性能。

1) 空間復(fù)用模式

空間復(fù)用模式(SM)的基本原理是用每根天線發(fā)送相互獨立的數(shù)據(jù)。從各天線發(fā)送的數(shù)據(jù)會在接收機(jī)端經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘柼幚砗蟊环蛛x，這種處理通常會包含線性去相關(guān)檢測和非線性干擾解除兩個操作。

我們平時提到MIMO時通常是在說SM工作模式，因為這種模式具有顯著提高無線連接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依賴一定的信道條件和信噪比(SNR)。多徑信道通常要求較高的非相關(guān)性。與SISO傳輸方式相比，對于相同的調(diào)制和編碼方法，多徑信道信噪比(SNR)要求也更高。

IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個SM技術(shù)：直接映射和空間擴(kuò)展。使用直接映射技術(shù)時，每個MIMO數(shù)據(jù)流都通過一個發(fā)送鏈路傳送，數(shù)據(jù)流與傳送鏈路之間是1對1的映射關(guān)系。使用空間擴(kuò)展技術(shù)時，MIMO數(shù)據(jù)流先按信道評估情況用一個矩陣復(fù)用，然后再通過不同的發(fā)送信道予以傳輸。圖4直觀地表示了直接映射技術(shù)和空間擴(kuò)展技術(shù)的特點。

圖4：直接映射和空間擴(kuò)展

2) 空-時分組編碼(STBC)

STBC用另一種方式實現(xiàn)對多個天線的利用，它利用空間和時間分集來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

MIMO數(shù)據(jù)流在特定的時間被從一個代碼字或代碼序列處理成矢量符號，如圖5所示。之后，整個代碼字變成一個矩陣，其內(nèi)部的每行數(shù)據(jù)都在相同的天線上傳送，而每個列的數(shù)據(jù)則在相同的時間傳送。接下來的任務(wù)就是在接收機(jī)端如何設(shè)計一個有最佳距離屬性的代碼了(即便是對隨機(jī)變化的信道而言)。

STBC與SM不同，它不會提高M(jìn)IMO設(shè)備在相同時間傳送的數(shù)據(jù)流的數(shù)量，因此也不會直接提高無線傳送的吞吐量。然而，STBC能提高傳輸?shù)目煽啃裕绕涫窃谛诺罈l件很差的情況下。這樣，相同的信噪比情況下我們就能采用更高的調(diào)制和編碼率，因而，STBC具有間接提高線路吞吐量的能力。

圖5：空-時分組代碼

生產(chǎn)過程中MIMO系統(tǒng)中容易出問題的方面

任何生產(chǎn)過程都會受到潛在錯誤和過程變異的影響。因此，在開發(fā)MIMO測試方案時了解生產(chǎn)過程中的潛在失效點并準(zhǔn)備好篩查方案是非常有用的工作。

* 焊接缺陷

焊接缺陷很可能是所有電子系統(tǒng)中第一大設(shè)備失效原因。嚴(yán)重缺陷可能會導(dǎo)致全系統(tǒng)的故障，因此很容易篩查，但是微小的缺陷就較難發(fā)現(xiàn)。這種缺陷可能會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能下降，但不至于整機(jī)故障。MIMO系統(tǒng)由于其在實際應(yīng)用中所具有的功能而特別容易掩蓋這種問題。

例如：如果以一次一條鏈路(發(fā)射機(jī)或接收機(jī))的方式對MIMO系統(tǒng)進(jìn)行測試，那么某些特定的性能問題，如某個焊接不好的解偶電容器，就可能無法被發(fā)現(xiàn)。這類問題只有在所有發(fā)射機(jī)在最大功率輸出工作時才能被注意到。除非我們驗證系統(tǒng)的最高數(shù)據(jù)傳輸速率，否則我們可能查不出這類生產(chǎn)測試中的問題。但是，使用這種蒙混過關(guān)產(chǎn)品的最終用戶，很可能會在諸如平板電腦與電視機(jī)的視頻傳送過程中發(fā)覺類似欠佳的性能(如解析不充分的視頻)，這最終會導(dǎo)致產(chǎn)品退貨甚至產(chǎn)品品牌形象的受損。

* TX/RX開關(guān)性能

典型的WLAN系統(tǒng)一般都是半雙工系統(tǒng)，因此包含一個發(fā)送/接收(TX/RX)開關(guān)，用于在信號的發(fā)送和接收之間進(jìn)行切換，如圖6所示。此開關(guān)的開關(guān)速度正是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵所在。典型的系統(tǒng)中，此開關(guān)必須具備在幾十個微秒內(nèi)完成發(fā)送/接收切換的能力，否則將引起傳輸數(shù)據(jù)的丟包現(xiàn)象。

圖6：WLAN系統(tǒng)中的TX/RX開關(guān)

控制線路中的解耦電容器有時會有焊接不良的情況，此外，表面貼裝流程中自動裝配機(jī)上有時還會裝上容值不正確的元件。容值略微增加幾個微法(?F)便會引起切換穩(wěn)定時間的延長并影響系統(tǒng)的性能。

* 串?dāng)_問題

正如前文所提，MIMO系統(tǒng)需依賴發(fā)送或接收數(shù)據(jù)流之間合理的隔離度才能實現(xiàn)最佳的性能。圖7顯示出一個MIMO系統(tǒng)中可能會產(chǎn)生的串?dāng)_路徑。

圖7：串?dāng)_或耦合問題

驗證不同路徑之間隔離情況的唯一方法就是確保所有的路徑都在同時工作。這就需要多個信號發(fā)射機(jī)和信號接收機(jī)來對這些路徑進(jìn)行同步測試。如果每條鏈路單獨測試，那么隔離度問題就難以發(fā)覺。

此外，隨著平板電腦和智能手機(jī)越來越緊湊的外殼內(nèi)需裝配的電子元件變得越來越多，精密的機(jī)械裝配和公差也已成為確保隔離度的必要條件。生產(chǎn)過程中一個裝配不良的射頻(RF)襯墊往往會導(dǎo)致系統(tǒng)中泄露通道的產(chǎn)生。

* 發(fā)熱問題

最后，我們必須考慮MIMO系統(tǒng)測試過程中的發(fā)熱問題。信號發(fā)射機(jī)的性能尤其容易因溫度的差異而發(fā)生變化。如果一次只對一條鏈路進(jìn)行測試，那么潛在的發(fā)熱方面的問題(如增益下降，失真加劇)就可能不會表現(xiàn)出來。只有讓所有的射頻鏈路同時工作，才能使系統(tǒng)承受合理的負(fù)荷水平(見圖8)。

圖8：MIMO系統(tǒng)中的發(fā)熱問題

以上只是生產(chǎn)過程中可能發(fā)生的關(guān)于MIMO系統(tǒng)性能的幾個問題。雖然這些問題可能不會經(jīng)常發(fā)生，但一旦發(fā)生，它們就會引起明顯的性能下降(但不大會引起整個系統(tǒng)的故障)。

隨著視頻數(shù)據(jù)越來越多地依靠WLAN MIMO系統(tǒng)傳輸，峰值數(shù)據(jù)傳輸性能正變得越來越重要。這些類型的缺陷無疑將引起應(yīng)用設(shè)備性能的不良，因此我們需采取最佳的方法來篩查這些問題。

在下一部分內(nèi)容中，我們將考查WLAN MIMO測試的幾個不同方法以及我們采用不同技術(shù)所能獲得的測試覆蓋率的不同水平。

MIMO測試

MIMO測試方法共有四種：多重SISO，切換式MIMO，復(fù)合MIMO，和真實MIMO。圖9中列出了各種測試方法的配置方式。

圖9：MIMO測試配置方式歸納

1) 多重SISO

此測試方法采用一個矢量信號分析儀(VSA)和一個矢量信號發(fā)生器(VSG)。此方法中 MIMO待測裝置(DUT)被看作一個多重SISO裝置，對于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的每個MIMO支路都進(jìn)行單獨測試。這種測試方法實質(zhì)上是對每個MIMO支路的多次SISO重復(fù)測試，它是最基本的MIMO測試方法，曾被用于早期的MIMO裝置的生產(chǎn)過程中。

圖10：多重SISO測量

2) 切換式MIMO

此測試方法只使用一個矢量信號分析儀(VSA)依次對各MIMO支路進(jìn)行信號捕獲。測試時不是立刻對各捕獲的信號進(jìn)行分析，而是先對捕獲信號(此例中為三個捕獲信號)進(jìn)行緩沖，然后再對經(jīng)過綜合的MIMO信號進(jìn)行分析。測試中使用一個單一的VSG對待測裝置的MIMO接收機(jī)依次進(jìn)行測試。與多重SISO方法相比，切換式MIMO測試方法由于使用MIMO算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，所以能獲得更精確的誤差矢量幅度(EVM)。這也消除了測試設(shè)置中的信道影響。

圖11：切換式MIMO測量

3) 復(fù)合MIMO

此測試方法使用一個射頻合路器將MIMO信號合成為一個單一的數(shù)據(jù)流。測試中使用一個VSA 對經(jīng)過合成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行捕獲，并在發(fā)送信號已知的情況下對 MIMO信號進(jìn)行分析。與上述測試方法相似，此測試方法也使用一個單一的 VSG對每個MIMO接收支路進(jìn)行依次測試。此方法對測試硬件的要求最低，還能提供較高水平的測試覆蓋率和較快的測試速度。此外，此方法還能適當(dāng)?shù)亟档蜏y試裝置的成本和性能要求，因此大多數(shù)生產(chǎn)線都在使用這種測試方法。

圖12：復(fù)合MIMO測量

4) 真實MIMO

此測試方法模擬真實的MIMO工作條件。它使用多個VSA同時從所有MIMO支路捕獲信號。MIMO分析儀對MIMO信道進(jìn)行估算并對MIMO信號進(jìn)行解調(diào)。此方法還使用多個VSG生成多個波形以便對MIMO接收機(jī)進(jìn)行測試。此測試方法能帶來最全面的MIMO測試覆蓋率和最快的測試速度，因此經(jīng)常被研發(fā)和設(shè)計驗證實驗室采用。

圖13：真實MIMO測量

每個MIMO測試方法都有其特定的優(yōu)缺點。用戶應(yīng)根據(jù)特定的應(yīng)用場合和測試覆蓋率要求選擇不同的MIMO測試方法。下表對不同的測試方法進(jìn)行了比較。

表1：MIMO測試方法和相關(guān)測試成本比較

真實MIMO方法模擬真實的測試情景并提供最佳的MIMO測試覆蓋。與其他方法相比它的測試硬件的成本較高，但由于其測試吞吐量的顯著提高，其運營和總體成本卻最低。研發(fā)，設(shè)計驗證實驗室，以及高速生產(chǎn)線通常使用這種真實MIMO方法。復(fù)合MIMO方法對合成信號的測試覆蓋率較好，但對單個MIMO路徑的分析能力卻較差。多重SISO方法和切換式MIMO方法對單個MIMO支路能保證較好的測試覆蓋率，但缺少分析合成信號的能力。由于大多數(shù)生產(chǎn)質(zhì)量問題可以通過合成信號的分析得到解決，所以復(fù)合MIMO方法已成為生產(chǎn)線使用最普遍的測試方法。

測量類型

表2：不同MIMO測試方法的測試覆蓋率比較

萊特波特測試解決方案

為了進(jìn)一步提高頻譜效益，最新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)(802.11n 和 802.11ac)中增加了MIMO技術(shù)支持的內(nèi)容。雖然MIMO是這些標(biāo)準(zhǔn)中可選的技術(shù)，但卻在越來越多地被WLAN裝置采用。這是因為視頻數(shù)據(jù)流等高吞吐量應(yīng)用的大量普及以及5GHz頻段的日益頻繁的使用，而在這兩種情況下，MIMO不僅能幫助提高吞吐量，而且還能改進(jìn)無線覆蓋和連接的可靠性。

與傳統(tǒng)的SISO裝置相比，MIMO裝置有多個收發(fā)通道和更復(fù)雜的設(shè)計結(jié)構(gòu)，因此它代表了一種全新的測試挑戰(zhàn)。MIMO測試需要新一代測試設(shè)備，而萊特波特公司憑借其專利技術(shù)、先進(jìn)的算法和創(chuàng)新的構(gòu)架已成為MIMO測試領(lǐng)域領(lǐng)先的測試方案提供商。萊特波特公司也是目前唯一能提供涵蓋所有四種MIMO測試方法的測試方案公司。

我們的IQxel 系列測試產(chǎn)品是行業(yè)內(nèi)802.11ac 和WLAN MIMO測試領(lǐng)域參考標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備。由于具有行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的測試速度和無可比擬的測試性能，IQxel擁有非常成功的業(yè)績，并正在被全世界各大芯片公司和消費電子產(chǎn)品制造商所使用。 IQxel已被運用到包括研發(fā)、設(shè)計驗證、生產(chǎn)和產(chǎn)線最終質(zhì)量控制在內(nèi)的產(chǎn)品開發(fā)過程的每個階段。