1  引言

對于所有的無線通信系統而言，無論是3GPP UMTS這樣的移動無線網絡，還是像WLAN那樣的無線局域網，除了通過高階調制或更大的信號帶寬這樣傳統的方式來提高數據速率以外，還可以通過多天線技術來提高信道的容量。作為未來移動通信的必選項目，MIMO已經引起了更多的關注，而對于MIMO系統的實現和測試，也成為通信行業的熱點及難點。本文在介紹MIMO的基本原理以及在MIMO不同移動通信標準表現形式的基礎上，介紹R&S公司提供的相應測試解決方案，可以滿足不同客戶、不同標準及不同階段的MIMO系統測試需求。

2  MIMO基本原理

根據不同的傳輸信道類型，可以在無線系統中使用相應的分集方式。目前，主要的分集方式包括時間分集（不同的時隙和信道編碼）、頻率分集（不同的信道、擴頻和OFDM）以及空間分集等。多天線系統利用的就是空間方式，而MIMO作為典型的多天線系統，可以明顯提高傳輸速率。而在實際的無線系統中，可以根據實際情況使用一種或者多種分集方式。

2.1  傳統的無線系統（SISO）

傳統的通信系統往往使用單個發射天線和單個接收天線，稱之為SISO系統（見圖1）。

圖1  SISO天線配置

根據香農定理，無線信道容量C由信號帶寬和信噪比決定。如公式1所示：公式1

2.2  多天線系統

典型的MIMO系統如圖2所示，包含m個發射天線和n個接收天線。根據無線信道的特性，每個接收天線都會接收到不同發射天線的內容，因此不同收發天線間的信道沖擊響應均有不同的表現形式。

圖2  通用的MIMO形式

如果定義發射天線1與接收天線1之間為h11，發射天線1和接收天線2之間定義為h21。這樣可以得到n×m的傳輸矩陣，也就是我們所說的傳輸信道矩陣形式，如公式2所示：

公式2

當收發天線間的信道為窄帶時不變系統時，可以得到MIMO系統接收信號表現形式為：公式3

其中，接收信號Y，發射信號X及噪聲n。

在MIMO系統中，發射天線的數據被分成幾個獨立的數據流。數據流M的數目一般小于或等于天線的數目。如果收發天線之間并不相等，那么等于或小于收發端最小的天線數目。例如，4×4的MIMO系統可以用于傳送4個或者更少的數據流，而3×2的MIMO系統可以發送兩個或者小于兩個的數據流。理論上，傳輸信道的容量會根據數據流的數目線性增長，MIMO系統的信道容量表示如公式4決定。

公式4

對于目前的無線通信系統，MIMO的基本形式有如下幾種：
（1）單用戶MIMO（SU-MIMO）：如果MIMO系統用于增加一個用戶的速率，稱之為單用戶MIMO（見圖3）。

圖3  SU-MIMO

（2）多用戶MIMO（MU-MIMO）：如果每個獨立的數據流分配給不同的用戶，稱之為多用戶。這種模式主要對上行鏈路有用。從UE的復雜程度和體積來看，每個UE只能有一個發射天線，因此稱之為“協同MIMO”，MU-MIMO如圖4所示。

圖4  MU-MIMO

（3）循環時延分集（CDD）：在OFDM系統中，CDD已經作為常規技術被廣泛使用。對CDD而言，相當于在不同天線的發射信號之間存在相應的時延。其實質相當于在OFDM系統中引入了虛擬的時延回波成分，可以在接收端增加相應的選擇性。因為CDD引入了額外的分集成分，所以往往被認為是空分復用的補充表現形式。

2.2.1  空間分集

空間分集對應于在不同的傳輸信道發送相對冗余的數據，這樣可以提高系統的穩定性。常用的空間分集包含一下幾種形式：

（1）接收分集

接收分集是在接收端使用比發射端更多的天線，最基本的接收分集包含2個接收天線和1個發射天線（SIMO，1×2），具體參見圖5。

圖5  SIMO天線配置

因為不需要特殊的編碼方式，因此比較容易實現。在接收端只需2個射頻通路。同時由于存在不同的傳輸路徑，接收端可以觀察到兩個不同的衰落信號。在接收端使用適當的方法，可以增加接收端的信噪比。常用的方法包括開關選擇分集和最大比例合并。選擇開關分集總是使用較強的信號，而最大比例合并，是使用兩個信號之和。具體形式參見圖6。

圖6  接收分集

（2）發射分集
如果發射天線數目比接收天線數目更多，稱之為發射分集。最簡單的發射分集形式是用2個發射天線和1個接收天線（MISO，2×1），具體參見圖7。

圖7  MISO天線配置

在2×1的MISO系統中，兩個天線發送相應的數據內容。Alamouti的空時碼是應用最廣泛的天線編碼方式?？諘r編碼可以增加空間分集的性能：信號的副本通過不同的天線在不同的時間進行發送。發送的時延稱為時延分集。Alamouti空時編碼的實現方式如圖8所示。

圖8  Alamouti編碼

在Alamouti編碼中，信源首先被分為兩組，每組兩個字符。在第一個給定的字符間隔內，每組中的兩個字符被同時發射：從天線1發射的信號為S1，從天線2發射的信號為S2。在下一個字符間隔內，信號-S2*從天線1發射，信號S1*從天線2發射。

目前，Alamouti編碼已經擴展到多天線系統。當然，Alamouti編碼也可以在頻域實現，此時稱為空頻編碼。

2.2.2  空分復用

空分復用不僅僅是為了增加系統的穩定性，同時也可以增加傳輸速率。為了提高傳輸速率，數據可以分成幾個數據流，然后在不同的天線上進行傳輸?？辗謴陀玫奶炀€形式如圖9所示。

圖9  MIMO天線配置

因為MIMO通過無線信道進行傳輸，不同的收發天線之間都存在相應的傳輸信道。同時由于每個傳輸路徑的沖擊響應的存在，因此不同的傳輸信道之間存在相互影響。根據公式2和公式3，如果MIMO系統的傳輸矩陣H是已知的，那么從接收機可以得到不同天線的數據內容。

2.2.3  波束形成

通過使用不同的天線技術可以明顯地增加網絡容量。例如，對于不同扇區的天線，每個天線可以覆蓋60或120度，作為一個工作小區。在GSM系統中，相比于全向天線而言，采用120度波束天線可以提高3倍的小區容量。

自適應天線陣列可以通過窄帶波束實現空間分集。智能天線屬于自適應天線陣列的一種。智能天線可以形成一個特定用戶的波束，并且可以根據反饋信號實現實時的動態調整。智能天線可包括切換式波束形成和自適應波束形成，可以用于所有的天線陣列系統以及MIMO系統（見圖10）。

圖10  切換波束形成和自適應波束形成

切換式波束形成可以計算到達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的信號強度。而自適應波束形成可以根據運動的終端而實時地調整波束方向，因此自適應波束形成要比切換式波束形成的復雜程度更高，花費也更大。

3  無線通信系統中的MIMO技術

目前，MIMO已經成為未來移動通信技術的必選項目，都會采用相應的分集和復用技術。以下簡單介紹不同標準中對應MIMO的不同表現形式。

3.1  3GPP UMTS

作為主流的移動通信標準，3GPP標準已經有了長足的發展。從WCDMA開始，已經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）已經引入了發射分集的概念，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。在下行鏈路中，可以采用MIMO或64QAM的調制方式，對應的峰值速率可以達到28Mbit/s，但在R7版本MIMO和64QAM不能同時使用。而在R8的標準中，MIMO和64QAM可以同時使用，峰值速率最高可達42Mbit/s，不支持上行MIMO。

對于高速下行共享信道，MIMO使用兩個發射天線陣列，實現方式如圖11所示。

圖11  PA+MIMO示意圖

使用兩個發射天線陣列，兩個獨立的數據流同時在無線信道內傳輸，可以采用和WCDMA一樣的信道化碼。在擴頻和加擾后，為了更好地在無線信道中傳輸，對其進行相應的加權預編碼。此時需要得到4個ω1~ω4的加權因子。第一個數據流用加權因子ω1和ω2相乘，第二個數據流用加權因子ω3和ω4相乘，加權因子由公式（5）決定。

此時，ω1是固定的，ω2根據基站進行選擇。為了保證正交，加權因子ω3和ω4根據ω1和ω2得到?；靖鶕闲薪K端選擇最優的加權因子。

除了在HS-DSCH中使用MIMO，加權的相關信息必須通過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信道中發送相應的預編碼控制指示和信道質量指示，這樣可以讓基站根據信道情況來調整調制、編碼方式和預編碼的加權因子。關于HSPA+的更多細節，請參閱參考文獻。

3.1.2  LTE(3GPP R8)

3GPP R8版本中定義的LTE，采用降低延時和分組交換技術可以達到更高的傳輸速率。LTE的多址方式下行采用OFDM，上行采用SC-OFDM，同時MIMO技術也是LTE的重要組成部分。LTE規定的調制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。下行的峰值速率最高可達300Mbit/s(4×4MIMO)和150Mbit/s(2×2MIMO)，上行最高可達75Mbit/s。

LTE的下行鏈路如圖12所示。在LTE的下行傳輸中，LTE包括：單天線傳輸，沒有MIMO；發射分集；開環空分復用，無需UE反饋信號；閉環空分復用，需要UE反饋；多用戶MIMO（在指定的相同RB上有多個UE）；閉環預編碼；波束形成等幾種傳輸模式。

圖12  LTE下行鏈路示意圖

在LTE系統中，1個或2個碼字可以映射到多個空間復用的傳輸層（圖12中的Layer Mapper模塊）。在空間復用之前，首先經過一個預編碼的過程（圖12中的Precoding模塊），也就是與根據碼本定義的預編碼矩陣W相乘，預編碼后的數據發送到各個天線。在收發天線兩端都要經過相同的預編碼過程。根據不同的天線數目以及空間復用和發射分集的方式，規范定義了不同的碼本。圖13為2天線情況下空分復用的預編碼矩陣形式。

圖13  2天線情況下空分復用的預編碼矩陣形式

在LTE的上行鏈路中，為了降低終端UE的復雜程度，采用MU-MIMO技術。在MU-MIMO技術中，多個UE每個使用一個發射天線，在相同的無線信道中進行傳輸。

3.2  WiMAXTM(802.16e-2005)

WiMAX技術可以在20MHz的信道帶寬內達到74Mbit/s的峰值速率。調制方式包括QPSK，16QAM和64QAM。

WiMAX的下行鏈路如圖14所示。WiMAX 802.16e標準現在已經將MIMO定義為必選項。標準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個發射天線。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，數據流與選擇的矩陣形式相乘，然后映射到不同的發射天線。

圖14  下行WiMAX示意圖

在實際的系統中，矩陣A和B實現方式如公式（6）所示。

矩陣A對應發射分集，矩陣B對應空分復用（也稱為真正的MIMO），而在3天線和4天線系統中，也存在相應的矩陣形式。

在WiMAX的上行MIMO中，僅僅是采用不同的導頻序列，編碼和映射方式與非MIMO方式相同。此外，SU-MIMO中兩個不同的用戶使用相同的信道（稱為協同MIMO，MU-MIMO）。

3.3  WLAN（802.11n）

根據802.11n的規范定義，WLAN需要在40MHz的帶寬內達到峰值速率600Mbit/s。調制方式采用BPSK，QPSK，16QAM和64QAM。WLAN802.11n可以后向兼容802.11a/b/g。系統最多支持4個發射天線，對應4個數據流。

WLAN可以區別空間流SS和空時流STS。如果NSS

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；其次是空間擴展，也就是另外用一個矩陣進行相乘。圖17所示為2個空時流和3個發射天線的示例；最后是波束形成，也就是另外用一個矢量進行相乘。

圖17  兩個空時流和3個發射天線的示例矩陣

3.4  其它通信標準

未來的移動通信標準都會采用MIMO技術，例如LTE Advanced，其目標在下行鏈路100MHz的信號帶寬內達到1Gbit/s傳輸的速率；而對于1x EV-DO Rev.C，要求在前向鏈路1.25MHz的信號帶寬內速率達到18Mbit/s；另外，WiMAXTM 802.16m的目標是在下行鏈路中的20MHz信號帶寬內提供300Mbit/s的速率。

4  R&S解決方案

目前，R&S的測試設備可以為支持MIMO技術的所有移動通信標準提供相應的測試解決方案。信號發生器可以在非信令模式下支持MIMO系統上行和下行的接收機測試。信號分析儀主要用于發射機測試，而無線綜測儀提供信令模式下的射頻測試和協議測試。RF測試系統提供完整的RF一致性測試。

4.1  信號發生器

SMU200A是業界惟一的一臺雙通道矢量信號源。UE接收機測試可以通過SMU信號發生器完成。SMU可以支持各種包含MIMO技術的移動通信標準（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，可以對各個衰落信道間的相關性進行設置。而且SMU衰落模擬器內置了很多標準規定的實時的衰落場景，可以方便用戶直接調用。同樣SMU也可以支持AWGN功能，方便進行相應的接收測試。

在單臺雙通道的SMU里，可以很方便地實現符合標準的2×2衰落模擬，同時可以支持多種通信標準。通過兩臺儀表級聯的方式，可以最多模擬4個天線。

加裝相參選件SMU-B90和移相器以后，對于4個天線的波束形成可以實現精確的相位關系設置（見圖19）。

圖19  通過SMU-B90進行到達角模擬

AMU基帶信號發生及衰落模擬器除了可以生成符合各種移動通信標準的基帶信號外，還可以通過數字IQ輸入/輸出接口為CMW500和SMATE提供MIMO衰落模擬。通過把AMU和SMATE相互連接的方式，可以提供和單臺雙通道SMU相同的功能，同時兩個通道的頻率都可以擴展到6GHz。

4.2  信號分析儀

對于發射測試，FSQ/FSG/FSV信號/頻譜分析儀可以使用。它們可以用于各種通信標準的SISO測試，也可以用于大多數MIMO測試例，如LTE標準中的Timing Alignment測試。圖20所示為業界最高端的信號分析儀FSQ。

圖20  高端信號分析儀FSQ

通過把多臺FSx（最多支持4臺）儀表連接起來，可以同時測量和解調4個發射天線的信號。

4.3  移動臺測試

CMW500寬帶無線綜測儀可以用于UE研發、生產和一致性測試的各個階段。作為LTE協議測試，CMW500同時也可用于驗證從協議層測試，也可以通過可編程接口進行靈活的信令測試。除此之外，CMW500同樣也可以支持MIMO測試。圖21所示為寬帶無線綜測儀CMW500。

圖21  寬帶無線綜測儀CMW

CMW270 WiMAX?綜測儀提供了業界首臺WiMAX移動臺測試的多功能一體解決方案：從信令模式下的移動臺一致性測試到非信令模式下高速、價優的生產測試。同時，CMW270還可以支持WiMAX?的MIMO測試，包括2天線的Matrix A和Matrix B。

4.4  系統

要完整地驗證MIMO終端的性能，需要復雜的RF測試。MIMO同時也是射頻一致性測試和UE認證過程中非常重要的測試項目。R&S為客戶提供的WiMAX和LTE的射頻測試系統，可用于從研發到一致性測試的測試用例。完整的RF測試系統如圖22所示。

圖22  R&S測試系統

R&S?TS8980 LTE射頻測試系統采用模塊化和全自動測試設計，適用于LTE移動臺的RF發射機和接收機測量。此外，R&S?TS8980做好了將來處理MIMO和多無線小區場景的準備。另外，R&S將通過系統升級的形式為用戶提供功能擴展。作為標準化組織的積極參與者，R&S積極致力于LTE的推廣，并將獲得的知識與經驗融入到自己的產品設計中。

R&S?TS8970移動WiMAX RCT測試系統應WiMAX Forum?的請求而開發的，其頻率范圍在400MHz~6GHz之間，為未來移動WiMAX?標準做好了準備?？捎猛幌到y運行基站和移動臺的測試案例。提供無可比擬的測量準確度和詳細的結果報告。TS8970適用于可廣泛應用于WiMAX設備的研發、生產、和性能測試。

R&S?TS8975WiMAX? RF預認證測試系統可以支持TS8970的絕大多數測試功能，是用于預認證和質量控制的經濟型測試系統。

5  結束語

現在無線通信系統需要提供越來越高的數據速率。傳統的方式通過高階調制和更大的信號帶寬來實現，新的方法卻通過利用無線系統的傳輸信道來提高數據速率。通過使用多天線系統（典型的MIMO），可以使數據速率和信道容量有了比較大的提升。因此，MIMO系統已廣泛應用于多種移動通信標準，也成為了未來移動通信標準的必選項目。本文在介紹MIMO原理和不同通信體制MIMO應用的基礎上，給出了R&S公司的相應測試解決方案。目前，R&S公司的測試設備已經可以滿足多種移動通信標準MIMO測試的相應需求。