由于MIMO技術(shù)可以提高頻譜效率，所以逐漸成為和OFDM組合的通用技術(shù)。第一個(gè)商用MIMO系統(tǒng)出現(xiàn)在WLAN中，但現(xiàn)在其應(yīng)用熱點(diǎn)已經(jīng)擴(kuò)展到了包括WiMAX和LTE在內(nèi)的無線通訊領(lǐng)域。由于各種格式所采用的技術(shù)和術(shù)語稍有不同，因此有時(shí)會(huì)使人們難以確認(rèn)正在討論的內(nèi)容。

MIMO技術(shù)的引入，即發(fā)射和接收路徑之間信號(hào)的相互耦合，打開了一個(gè)新的測量領(lǐng)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(duì)MIMO技術(shù)的運(yùn)用和測試方法有一個(gè)大概的了解。每一部分都會(huì)用實(shí)例來突出說明MIMO技術(shù)對(duì)于無線電系統(tǒng)或相關(guān)測試的影響?？蓮陌步輦惿暾?qǐng)十大須知的宣傳資料(本白皮書的最后有訂購信息)。

須知一：空間復(fù)用技術(shù)至少需要兩個(gè)發(fā)射機(jī)和兩個(gè)接收機(jī)。兩個(gè)接收機(jī)應(yīng)設(shè)在相同位置。

一些多天線技術(shù)，比如發(fā)射及接收分集，有時(shí)也會(huì)用到“多入多出”一詞，但這些技術(shù)并不能直接增加無線鏈路的頻譜效率。而實(shí)際上，空間復(fù)用技術(shù)能夠在根本上增加系統(tǒng)容量，它與分集技術(shù)一樣重要，兩種技術(shù)經(jīng)常結(jié)合使用。所以移動(dòng)臺(tái)可以只有兩個(gè)天線，基站可以配有四個(gè)天線。

參看圖1，空間復(fù)用的關(guān)鍵在于同時(shí)發(fā)射用戶數(shù)據(jù)的不同部分。當(dāng)信號(hào)通過包括天線在內(nèi)的無線電信道進(jìn)行傳輸時(shí)，必然會(huì)出現(xiàn)一些相互耦合。

圖1：移動(dòng)通信中非對(duì)稱MIMO的運(yùn)用。

MIMO技術(shù)的巧妙之處就在于避免了發(fā)射信號(hào)的互相干擾，這就需要我們知道信號(hào)是如何耦合的。在這個(gè)過程中需要和發(fā)射機(jī)的數(shù)目一樣多的接收機(jī)，這也就引出了我們的第一項(xiàng)須知。

因?yàn)樾枰獙⒃确蛛x發(fā)送的多路碼流(在3GPP LTE中稱為碼字)在接收端耦合恢復(fù)成原始信息，因此需要將多個(gè)接收機(jī)放在相同位置。

而對(duì)于信號(hào)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(gè)輸入的IQ數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行信號(hào)分離和分析，所以不需限制將接收機(jī)硬件放置在相同位置。還有一種特殊情況，信號(hào)是通過電纜直接連接到分析儀，相互之間不會(huì)產(chǎn)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(gè)發(fā)射機(jī)，就可以恢復(fù)每一路碼流。

如果被測試信號(hào)的幀與幀之間大體保持恒定，那么也可以用一個(gè)開關(guān)切換控制來捕獲各路信號(hào)。Agilent N4011A MIMO多端口轉(zhuǎn)接器即是WLAN中采用該技術(shù)的一個(gè)設(shè)備實(shí)例。

圖2：LTE中的不同MIMO信道訓(xùn)練子載波。

須知二：MIMO技術(shù)在無線通信系統(tǒng)下行鏈路和上行鏈路中的應(yīng)用是不同的。

在WLAN中上下行無線鏈路是對(duì)稱的，但是這一模型針對(duì)移動(dòng)通信應(yīng)用發(fā)生了變化(如圖1所示)，比如互聯(lián)網(wǎng)下載業(yè)務(wù)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(gè)發(fā)射機(jī)。在很多設(shè)計(jì)中擁有四個(gè)或更多的發(fā)射機(jī)，便于同時(shí)使用MIMO技術(shù)和發(fā)射分集或者相控陣波束賦形技術(shù)。所有支持MIMO的移動(dòng)臺(tái)都有兩個(gè)接收機(jī)。接收分集非常有用，所以即使最初沒有MIMO技術(shù)，移動(dòng)臺(tái)也可能會(huì)使用兩個(gè)接收機(jī)。

圖1中還顯示了將傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)復(fù)用到碼流和層時(shí)的相關(guān)術(shù)語。用戶數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)被分離成多路碼流。如果同時(shí)使用空間復(fù)用和分集技術(shù)，那么還需要進(jìn)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(fā)射之前兩路碼流不會(huì)故意進(jìn)行耦合。

須知三：MIMO信號(hào)恢復(fù)過程由兩個(gè)階段組成。

在WLAN和WiMAX中，用戶傳輸數(shù)據(jù)被復(fù)用到多路碼流中時(shí)使用相同調(diào)制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中則可能對(duì)每一路碼流使用不同調(diào)制方式。因此信道恢復(fù)與數(shù)據(jù)恢復(fù)之間有明顯區(qū)別，這是有關(guān)MIMO的另一個(gè)基本原理。

MIMO信號(hào)在通過信道傳輸時(shí)會(huì)相互耦合，在對(duì)各路碼流進(jìn)行解調(diào)之前，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行分離。為此，接收機(jī)需要知道不同發(fā)射機(jī)的信道訓(xùn)練信息，這種信道訓(xùn)練機(jī)制被稱為“非盲”。

在WiMAX和LTE信號(hào)中都有信道訓(xùn)練部分。不同發(fā)射機(jī)使用不同的信道估計(jì)子載波，使所有發(fā)射機(jī)的信道估計(jì)子載波都不會(huì)在相同時(shí)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(qū)分發(fā)射機(jī)。

圖2給出LTE發(fā)射機(jī)兩路信號(hào)的頻譜圖，并放大了一段訓(xùn)練符號(hào)頻譜分量?？梢郧逦乜闯?，LTE參考信號(hào)(RS)子載波使用的頻率不同。和WiMAX中的導(dǎo)頻有一點(diǎn)不同，LTE的參考信號(hào)每三個(gè)或四個(gè)符號(hào)才發(fā)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(shí)間關(guān)系也是已知的，因此可以創(chuàng)建一個(gè)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(shù)。

須知四：相位差對(duì)開環(huán)MIMO沒有影響。

開環(huán)MIMO是指發(fā)射信號(hào)是直接映射的，沒有使用信道反饋對(duì)信號(hào)進(jìn)行耦合(預(yù)編碼)。

換句話說，只有對(duì)不同信號(hào)耦合兩次時(shí)，相位才有影響，正如兩個(gè)不同頻率的連續(xù)波信號(hào)發(fā)生耦合，這樣可以更容易理解。第一次合成信號(hào)時(shí)，兩個(gè)信號(hào)間可能具有已知相位關(guān)系，也可能沒有，這并不要緊;兩個(gè)分量的振幅和相位并不會(huì)受到影響。然而，如果再次對(duì)它們進(jìn)行耦合，兩個(gè)信號(hào)間將存在相同部分，并將作為矢量求和。結(jié)果，振幅和相位將會(huì)發(fā)生變化，這種變化取決于初始相位和耦合因子的組合，結(jié)果甚至完全抵消。

這個(gè)簡單的矢量相加例子說明了為什么開環(huán)MIMO不會(huì)受發(fā)射信號(hào)或接收信號(hào)相位的影響。這是因?yàn)樵陂_環(huán)MIMO中，發(fā)射信號(hào)沒有被再次耦合，信號(hào)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(gè)位置不同的移動(dòng)臺(tái)時(shí)仍然可以正常工作。順便指出，在這種情況下不能應(yīng)用預(yù)編碼，一方面是因?yàn)檩斎霐?shù)據(jù)只對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)自身有效，另一方面也是因?yàn)闊o法控制兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)之間的相位關(guān)系。

圖3是一個(gè)上行多用戶(協(xié)作)MIMO(MU-MIMO)測試的配置。虛線表示在實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的過程，由基站控制各移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射定時(shí)和功率，使各信號(hào)到達(dá)基站接收機(jī)時(shí)得以對(duì)準(zhǔn)。各移動(dòng)臺(tái)根據(jù)基站的參考信號(hào)調(diào)整自己的頻率。在測試中還可以使用電纜，并對(duì)定時(shí)、功率及頻率偏移施加其它類型的干擾，用以驗(yàn)證接收機(jī)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(jìn)行交叉信道測量。

多數(shù)工程師開始時(shí)都采用單輸入測量，不僅因?yàn)槠錅y量簡單，而且該測量還可利用已有設(shè)備提供大量有關(guān)射頻器件工作狀態(tài)的基本信息。在LTE和WiMAX中，存在用于MIMO信道訓(xùn)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(xié)作)MIMO需要系統(tǒng)具有對(duì)功率、頻率和定時(shí)對(duì)準(zhǔn)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(shù)。

信道隔離度作為解調(diào)過程測試的一部分，可以很容易被測量出來。這里假設(shè)信號(hào)在發(fā)射機(jī)里沒有發(fā)生串?dāng)_。在LTE中，沒有對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼，即使應(yīng)用了預(yù)編碼，信道隔離度也不會(huì)對(duì)測量產(chǎn)生影響。而WLAN和WiMAX使用了直接映射方式。

采用發(fā)射分集的信號(hào)只需要使用一個(gè)接收機(jī)，所有只需要單端口輸入分析儀就可對(duì)其進(jìn)行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信號(hào)也可以分別進(jìn)行分析，雖然不可能完全去掉多余的串?dāng)_。將單輸入分析儀依次接到各個(gè)發(fā)射機(jī)輸出端，就可以進(jìn)行相應(yīng)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(shí)測量。如果利用功率合成器將多個(gè)輸入饋送到單輸入分析儀，如圖4所示，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并將符號(hào)對(duì)準(zhǔn)后，得到相對(duì)定時(shí)及射頻相位測量值。這一方法完全消除了附加設(shè)備的影響，測量分辨率分別達(dá)到次納秒級(jí)和度。

DL2×1 STC(時(shí)空碼)或2×2 MIMO

2個(gè)發(fā)射機(jī) 功率合成器 信號(hào)分析儀 發(fā)射信號(hào)通過功率合成器后進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)定時(shí)和相位關(guān)系

圖4：使用單端口輸入的MXA頻譜分析儀和功率合成器進(jìn)行交叉信道的射頻頻率和相位測量。

須知五：天線配置對(duì)信道路徑相關(guān)具有顯著影響。

在對(duì)接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)信道驗(yàn)證之后，可以使用諸如安捷倫新推出的PXB MIMO接收機(jī)測試儀，添加例如步行或車載速度模型的各種衰落，進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。如前所述，信道中包括發(fā)射機(jī)天線和接收機(jī)天線。人們已經(jīng)投入了大量精力，來研究如何建立天線配置變化對(duì)路徑相關(guān)影響的模型。

如果只是為了進(jìn)行證明，可以僅選取一些天線配置，但是如果為了設(shè)計(jì)或進(jìn)行更徹底的性能比較，則應(yīng)當(dāng)使用更廣泛的方案進(jìn)行性能評(píng)估，這一點(diǎn)非常重要。使用Agilent PXB MIMO接收機(jī)測試儀(圖5)可提供用戶所需的靈活配置，并可計(jì)算各天線路徑的相關(guān)因子。

圖5：安捷倫的N5106A PXB MIMO接收機(jī)測試儀。

須知六：MIMO對(duì)載噪比的要求高于SISO。

在特定的信道環(huán)境中，信道容量將隨著發(fā)射-接收對(duì)的數(shù)量呈線性增加，因此相對(duì)于SISO，MIMO能夠得到更高的頻譜效率。但是這是有代價(jià)的。在比較SISO和MIMO的性能時(shí)，首先要求所有發(fā)射信號(hào)具有相同功率。對(duì)于采用直接映射的MIMO信號(hào)，這相當(dāng)于要求每個(gè)MIMO發(fā)射機(jī)的載噪比(CNR)至少要提高3dB，以獲得相同的解調(diào)性能。如圖6中左側(cè)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(shù)的增大，所需的載噪比逐漸提高。矩陣條件數(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)概念，表示特定MIMO信道容量的潛在增加。與本文相關(guān)的宣傳資料中提供了關(guān)于如何計(jì)算矩陣條件數(shù)的詳細(xì)信息。

同相(0°)耦合是MIMO接收機(jī)測試的第一步，這一步如同單信道靈敏度測試，它將驗(yàn)證訓(xùn)練信號(hào)中包含噪聲時(shí)信道的恢復(fù)狀況。當(dāng)存在大量耦合時(shí)，由于處理精度不足在接收機(jī)信道估計(jì)時(shí)產(chǎn)生大量誤差，將導(dǎo)致接收機(jī)性能比預(yù)期的下降更快。更進(jìn)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(gè)信道條件數(shù)為10dB的MIMO信號(hào)的CNR要求比SISO信號(hào)大約高7dB，才能達(dá)到相同的BER。當(dāng)然，MIMO信號(hào)承載2倍于SISO的數(shù)據(jù)量。

圖6：結(jié)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(hào)中的時(shí)延。在該實(shí)例中，首先調(diào)整了信號(hào)幅度，確?？吹綔y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(shù)變差EVM上升的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

須知七：一個(gè)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(duì)各個(gè)發(fā)射機(jī)輸出端分別進(jìn)行的，由模擬器件(如放大器或混頻器)產(chǎn)生的失真只會(huì)影響到它所處理的這一路碼字(流)。但是，如果數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過預(yù)編碼，比如使用LTE中碼本1或碼本2預(yù)編碼，所有碼字將共用模擬器件，那么任何一個(gè)模擬器件的失真都將影響到所有碼流。

為了產(chǎn)生圖7中的測量結(jié)果，可對(duì)一個(gè)MIMO信號(hào)使用LTE碼本1的1，1，1，-1進(jìn)行預(yù)編碼，或者對(duì)該信號(hào)采用WLAN的空間擴(kuò)展方式。然后對(duì)其中一個(gè)接收機(jī)放大器的增益進(jìn)行調(diào)整，直到ADC產(chǎn)生限幅。

左列是去除耦合前的兩路信號(hào)。此處可以看到由于相關(guān)干擾造成的一種非正常的MIMO測量結(jié)果。QPSK顯示為一個(gè)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(hào)上，帶有上面那一路信號(hào)所沒有的某種失真。

中間一列中兩個(gè)信號(hào)已經(jīng)分開，均為QPSK信號(hào)，但是需要注意，這兩個(gè)信號(hào)都帶有失真，而在前面信號(hào)中有一個(gè)并沒有失真。最后，右邊一列顯示了一組發(fā)射分集信號(hào)，饋送過程中其中一個(gè)發(fā)射機(jī)有失真。需要注意的一點(diǎn)是，兩個(gè)信號(hào)顯示都沒有失真。這表明僅僅測量完全解碼的分集信號(hào)會(huì)掩蓋物理硬件所帶來的問題。

圖7：在左列中可以看到一個(gè)信道分量的失真只影響下面的軌跡。中間一列的空間復(fù)用信號(hào)則顯示兩個(gè)數(shù)據(jù)流都有失真。右列的跡線表明當(dāng)采用分集技術(shù)而不是空間復(fù)用時(shí)，失真將被消去。

本文小結(jié)

對(duì)于無線電工程師來說，MIMO是對(duì)現(xiàn)有發(fā)射技術(shù)的有益補(bǔ)充。本文介紹了MIMO運(yùn)用和測量的關(guān)鍵問題，安捷倫設(shè)計(jì)及測試方案可以幫助您確保接收機(jī)和發(fā)射機(jī)能夠正常工作。