MIMO技術的引入，即發射和接收路徑之間信號的相互耦合，打開了一個新的測量領域，在原先使用的單一信道測試上提出了新的性能測量需求。
本白皮書選自安捷倫“MIMO十大須知”中的一部分，其目的是讓用戶對MIMO技術的運用和測試方法有一個大概的了解。每一部分都會用實例來突出說明MIMO技術對于無線電系統或相關測試的影響?？蓮陌步輦惿暾埵箜氈男麄髻Y料(本白皮書的最后有訂購信息)。
須知一：空間復用技術至少需要兩個發射機和兩個接收機。兩個接收機應設在相同位置。
一些多天線技術，比如發射及接收分集，有時也會用到“多入多出”一詞，但這些技術并不能直接增加無線鏈路的頻譜效率。而實際上，空間復用技術能夠在根本上增加系統容量，它與分集技術一樣重要，兩種技術經常結合使用。所以移動臺可以只有兩個天線，基站可以配有四個天線。
參看圖1，空間復用的關鍵在于同時發射用戶數據的不同部分。當信號通過包括天線在內的無線電信道進行傳輸時，必然會出現一些相互耦合。
圖1：移動通信中非對稱MIMO的運用。
MIMO技術的巧妙之處就在于避免了發射信號的互相干擾，這就需要我們知道信號是如何耦合的。在這個過程中需要和發射機的數目一樣多的接收機，這也就引出了我們的第一項須知。
因為需要將原先分離發送的多路碼流(在3GPP LTE中稱為碼字)在接收端耦合恢復成原始信息，因此需要將多個接收機放在相同位置。
而對于信號后處理來說，由于測量軟件(如安捷倫89600 VSA)能夠組合來自多個輸入的IQ數據，然后進行信號分離和分析，所以不需限制將接收機硬件放置在相同位置。還有一種特殊情況，信號是通過電纜直接連接到分析儀，相互之間不會產生耦合，也就是直接映射。通過將單端口輸入分析儀輪流連接到各個發射機，就可以恢復每一路碼流。
如果被測試信號的幀與幀之間大體保持恒定，那么也可以用一個開關切換控制來捕獲各路信號。Agilent N4011A MIMO多端口轉接器即是WLAN中采用該技術的一個設備實例。
圖2：LTE中的不同MIMO信道訓練子載波。
須知二：MIMO技術在無線通信系統下行鏈路和上行鏈路中的應用是不同的。
在WLAN中上下行無線鏈路是對稱的，但是這一模型針對移動通信應用發生了變化(如圖1所示)，比如互聯網下載業務要求下行鏈路的容量超過上行鏈路的容量。
WiMAX和LTE基站至少需要兩個發射機。在很多設計中擁有四個或更多的發射機，便于同時使用MIMO技術和發射分集或者相控陣波束賦形技術。所有支持MIMO的移動臺都有兩個接收機。接收分集非常有用，所以即使最初沒有MIMO技術，移動臺也可能會使用兩個接收機。
圖1中還顯示了將傳輸數據信號復用到碼流和層時的相關術語。用戶數據在發送時被分離成多路碼流。如果同時使用空間復用和分集技術，那么還需要進一步將碼流映射到層(如圖中灰色方塊所示)。如圖顯示了直接映射過程，發射之前兩路碼流不會故意進行耦合。
須知三：MIMO信號恢復過程由兩個階段組成。
在WLAN和WiMAX中，用戶傳輸數據被復用到多路碼流中時使用相同調制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中則可能對每一路碼流使用不同調制方式。因此信道恢復與數據恢復之間有明顯區別，這是有關MIMO的另一個基本原理。
MIMO信號在通過信道傳輸時會相互耦合，在對各路碼流進行解調之前，必須對這些信號進行分離。為此，接收機需要知道不同發射機的信道訓練信息，這種信道訓練機制被稱為“非盲”。
在WiMAX和LTE信號中都有信道訓練部分。不同發射機使用不同的信道估計子載波，使所有發射機的信道估計子載波都不會在相同時間使用相同的頻率。802.11n最初也曾考慮使用此方法，但是最終采用了正交碼來區分發射機。
圖2給出LTE發射機兩路信號的頻譜圖，并放大了一段訓練符號頻譜分量。可以清晰地看出，LTE參考信號(RS)子載波使用的頻率不同。和WiMAX中的導頻有一點不同，LTE的參考信號每三個或四個符號才發射一次。所有子載波的功率都是相同的，并且它們的相位和時間關系也是已知的，因此可以創建一個矢量方式來表示信道，它可以提供用于分離各路碼流的系數。
須知四：相位差對開環MIMO沒有影響。
開環MIMO是指發射信號是直接映射的，沒有使用信道反饋對信號進行耦合(預編碼)。
換句話說，只有對不同信號耦合兩次時，相位才有影響，正如兩個不同頻率的連續波信號發生耦合，這樣可以更容易理解。第一次合成信號時，兩個信號間可能具有已知相位關系，也可能沒有，這并不要緊；兩個分量的振幅和相位并不會受到影響。然而，如果再次對它們進行耦合，兩個信號間將存在相同部分，并將作為矢量求和。結果，振幅和相位將會發生變化，這種變化取決于初始相位和耦合因子的組合，結果甚至完全抵消。
這個簡單的矢量相加例子說明了為什么開環MIMO不會受發射信號或接收信號相位的影響。這是因為在開環MIMO中，發射信號沒有被再次耦合，信號只在信道中被耦合了一次。這還可以解釋為什么上行MIMO使用兩個位置不同的移動臺時仍然可以正常工作。順便指出，在這種情況下不能應用預編碼，一方面是因為輸入數據只對每個移動臺自身有效，另一方面也是因為無法控制兩個移動臺之間的相位關系。
圖3是一個上行多用戶(協作)MIMO(MU-MIMO)測試的配置。虛線表示在實際系統中發生的過程，由基站控制各移動臺的發射定時和功率，使各信號到達基站接收機時得以對準。各移動臺根據基站的參考信號調整自己的頻率。在測試中還可以使用電纜，并對定時、功率及頻率偏移施加其它類型的干擾，用以驗證接收機算法是否具有足夠的魯棒性。
須知四：可使用單端口輸入分析儀進行交叉信道測量。
多數工程師開始時都采用單輸入測量，不僅因為其測量簡單，而且該測量還可利用已有設備提供大量有關射頻器件工作狀態的基本信息。在LTE和WiMAX中，存在用于MIMO信道訓練的子載波，使用單輸入分析儀的測量也非常重要。
圖3：上行鏈路的多用戶(協作)MIMO需要系統具有對功率、頻率和定時對準的處理能力。圖中所示的Agilent MXG帶有基于Signal Studio軟件的測試配置，可以分別改變以上參數。
信道隔離度作為解調過程測試的一部分，可以很容易被測量出來。這里假設信號在發射機里沒有發生串擾。在LTE中，沒有對參考信號進行預編碼，即使應用了預編碼，信道隔離度也不會對測量產生影響。而WLAN和WiMAX使用了直接映射方式。
采用發射分集的信號只需要使用一個接收機，所有只需要單端口輸入分析儀就可對其進行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信號也可以分別進行分析，雖然不可能完全去掉多余的串擾。將單輸入分析儀依次接到各個發射機輸出端，就可以進行相應的碼流分析。
使用單輸入分析儀可完成最精確的射頻相位和定時測量。如果利用功率合成器將多個輸入饋送到單輸入分析儀，如圖4所示，對信號進行解調并將符號對準后，得到相對定時及射頻相位測量值。這一方法完全消除了附加設備的影響，測量分辨率分別達到次納秒級和度。
DL2×1 STC(時空碼)或2×2 MIMO
2個發射機 功率合成器 信號分析儀 發射信號通過功率合成器后進行解調，恢復定時和相位關系
圖4：使用單端口輸入的MXA頻譜分析儀和功率合成器進行交叉信道的射頻頻率和相位測量。
須知五：天線配置對信道路徑相關具有顯著影響。
在對接收機進行靜態信道驗證之后，可以使用諸如安捷倫新推出的PXB MIMO接收機測試儀，添加例如步行或車載速度模型的各種衰落，進行進一步驗證。如前所述，信道中包括發射機天線和接收機天線。人們已經投入了大量精力，來研究如何建立天線配置變化對路徑相關影響的模型。
如果只是為了進行證明，可以僅選取一些天線配置，但是如果為了設計或進行更徹底的性能比較，則應當使用更廣泛的方案進行性能評估，這一點非常重要。使用Agilent PXB MIMO接收機測試儀(圖5)可提供用戶所需的靈活配置，并可計算各天線路徑的相關因子。
圖5：安捷倫的N5106A PXB MIMO接收機測試儀。
須知六：MIMO對載噪比的要求高于SISO。
在特定的信道環境中，信道容量將隨著發射-接收對的數量呈線性增加，因此相對于SISO，MIMO能夠得到更高的頻譜效率。但是這是有代價的。在比較SISO和MIMO的性能時，首先要求所有發射信號具有相同功率。對于采用直接映射的MIMO信號，這相當于要求每個MIMO發射機的載噪比(CNR)至少要提高3dB，以獲得相同的解調性能。如圖6中左側軸的文字所述。
如圖6所示，由于MIMO信道引入了相互耦合，從左至右隨著MIMO信道矩陣條件數的增大，所需的載噪比逐漸提高。矩陣條件數是一個標準的數學概念，表示特定MIMO信道容量的潛在增加。與本文相關的宣傳資料中提供了關于如何計算矩陣條件數的詳細信息。
同相(0°)耦合是MIMO接收機測試的第一步，這一步如同單信道靈敏度測試，它將驗證訓練信號中包含噪聲時信道的恢復狀況。當存在大量耦合時，由于處理精度不足在接收機信道估計時產生大量誤差，將導致接收機性能比預期的下降更快。更進一步的測試是在耦合中增加延遲，即在OFDMA子載波中引入成比例的相位變化。
例如：一個信道條件數為10dB的MIMO信號的CNR要求比SISO信號大約高7dB，才能達到相同的BER。當然，MIMO信號承載2倍于SISO的數據量。
圖6：結果表明MIMO需要比SISO更高的載噪比。
如圖6所示，在Agilent 89600 VSA上顯示呈V字型的EVM軌跡，表示在OFDM信號中的時延。在該實例中，首先調整了信號幅度，確保看到測量噪聲，使得EVM(RCE)值上升。通過圖5下面的中間及右邊兩張軌跡圖可以清楚地看到隨著條件數變差EVM上升的對應關系。
須知七：一個器件的失真將影響到所有耦合碼流。
在直接映射中測量是針對各個發射機輸出端分別進行的，由模擬器件(如放大器或混頻器)產生的失真只會影響到它所處理的這一路碼字(流)。但是，如果數據信號經過預編碼，比如使用LTE中碼本1或碼本2預編碼，所有碼字將共用模擬器件，那么任何一個模擬器件的失真都將影響到所有碼流。
為了產生圖7中的測量結果，可對一個MIMO信號使用LTE碼本1的1，1，1，-1進行預編碼，或者對該信號采用WLAN的空間擴展方式。然后對其中一個接收機放大器的增益進行調整，直到ADC產生限幅。
左列是去除耦合前的兩路信號。此處可以看到由于相關干擾造成的一種非正常的MIMO測量結果。QPSK顯示為一個3×3的星座，被稱之為“星座的星座”。盡管如此，也可以看出，在下面一路信號上，帶有上面那一路信號所沒有的某種失真。
中間一列中兩個信號已經分開，均為QPSK信號，但是需要注意，這兩個信號都帶有失真，而在前面信號中有一個并沒有失真。最后，右邊一列顯示了一組發射分集信號，饋送過程中其中一個發射機有失真。需要注意的一點是，兩個信號顯示都沒有失真。這表明僅僅測量完全解碼的分集信號會掩蓋物理硬件所帶來的問題。
圖7：在左列中可以看到一個信道分量的失真只影響下面的軌跡。中間一列的空間復用信號則顯示兩個數據流都有失真。右列的跡線表明當采用分集技術而不是空間復用時，失真將被消去。
本文小結
對于無線電工程師來說，MIMO是對現有發射技術的有益補充。本文介紹了MIMO運用和測量的關鍵問題，安捷倫設計及測試方案可以幫助您確保接收機和發射機能夠正常工作。
附：安捷倫有用資源
如需獲取安捷倫最新的MIMO宣傳資料“MIMO十大須知”免費副本，敬請訪問www.agilent.com/find/mimo-mwj
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如需有關安捷倫MIMO設計和測試方案套件的更多信息，敬請訪問www.agilent.com/find/mimo
作者：Peter Cain
無線方案規劃師
安捷倫科技
peter_cain@agilent.com
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