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MIMO的应用及测量须知
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由于MIMO技术可以提高频谱效率，所以逐渐成为和OFDM组合的通用技术。第一个商用MIMO系统出现在WLAN中，但现在其应用热点已经扩展到了包括WiMAX和LTE在内的无线通讯领域。由于各种格式所采用的技术和术语稍有不同，因此有时会使人们难以确认正在讨论的内容。
MIMO技术的引入，即发射和接收路径之间信号的相互耦合，打开了一个新的测量领域，在原先使用的单一信道测试上提出了新的性能测量需求。
本白皮书选自安捷伦“MIMO十大须知”中的一部分，其目的是让用户对MIMO技术的运用和测试方法有一个大概的了解。每一部分都会用实例来突出说明MIMO技术对于无线电系统或相关测试的影响。可从安捷伦申请十大须知的宣传资料(本白皮书的最后有订购信息)。
须知一：空间复用技术至少需要两个发射机和两个接收机。两个接收机应设在相同位置。
一些多天线技术，比如发射及接收分集，有时也会用到“多入多出”一词，但这些技术并不能直接增加无线链路的频谱效率。而实际上，空间复用技术能够在根本上增加系统容量，它与分集技术一样重要，两种技术经常结合使用。所以移动台可以只有两个天线，基站可以配有四个天线。
参看图1，空间复用的关键在于同时发射用户数据的不同部分。当信号通过包括天线在内的无线电信道进行传输时，必然会出现一些相互耦合。
图1：移动通信中非对称MIMO的运用。
MIMO技术的巧妙之处就在于避免了发射信号的互相干扰，这就需要我们知道信号是如何耦合的。在这个过程中需要和发射机的数目一样多的接收机，这也就引出了我们的第一项须知。
因为需要将原先分离发送的多路码流(在3GPP LTE中称为码字)在接收端耦合恢复成原始信息，因此需要将多个接收机放在相同位置。
而对于信号后处理来说，由于测量软件(如安捷伦89600 VSA)能够组合来自多个输入的IQ数据，然后进行信号分离和分析，所以不需限制将接收机硬件放置在相同位置。还有一种特殊情况，信号是通过电缆直接连接到分析仪，相互之间不会产生耦合，也就是直接映射。通过将单端口输入分析仪轮流连接到各个发射机，就可以恢复每一路码流。
如果被测试信号的帧与帧之间大体保持恒定，那么也可以用一个开关切换控制来捕获各路信号。Agilent N4011A MIMO多端口转接器即是WLAN中采用该技术的一个设备实例。
图2：LTE中的不同MIMO信道训练子载波。
须知二：MIMO技术在无线通信系统下行链路和上行链路中的应用是不同的。
在WLAN中上下行无线链路是对称的，但是这一模型针对移动通信应用发生了变化(如图1所示)，比如互联网下载业务要求下行链路的容量超过上行链路的容量。
WiMAX和LTE基站至少需要两个发射机。在很多设计中拥有四个或更多的发射机，便于同时使用MIMO技术和发射分集或者相控阵波束赋形技术。所有支持MIMO的移动台都有两个接收机。接收分集非常有用，所以即使最初没有MIMO技术，移动台也可能会使用两个接收机。
图1中还显示了将传输数据信号复用到码流和层时的相关术语。用户数据在发送时被分离成多路码流。如果同时使用空间复用和分集技术，那么还需要进一步将码流映射到层(如图中灰色方块所示)。如图显示了直接映射过程，发射之前两路码流不会故意进行耦合。
须知三：MIMO信号恢复过程由两个阶段组成。
在WLAN和WiMAX中，用户传输数据被复用到多路码流中时使用相同调制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中则可能对每一路码流使用不同调制方式。因此信道恢复与数据恢复之间有明显区别，这是有关MIMO的另一个基本原理。
MIMO信号在通过信道传输时会相互耦合，在对各路码流进行解调之前，必须对这些信号进行分离。为此，接收机需要知道不同发射机的信道训练信息，这种信道训练机制被称为“非盲”。
在WiMAX和LTE信号中都有信道训练部分。不同发射机使用不同的信道估计子载波，使所有发射机的信道估计子载波都不会在相同时间使用相同的频率。802.11n最初也曾考虑使用此方法，但是最终采用了正交码来区分发射机。
图2给出LTE发射机两路信号的频谱图，并放大了一段训练符号频谱分量。可以清晰地看出，LTE参考信号(RS)子载波使用的频率不同。和WiMAX中的导频有一点不同，LTE的参考信号每三个或四个符号才发射一次。所有子载波的功率都是相同的，并且它们的相位和时间关系也是已知的，因此可以创建一个矢量方式来表示信道，它可以提供用于分离各路码流的系数。
须知四：相位差对开环MIMO没有影响。
开环MIMO是指发射信号是直接映射的，没有使用信道反馈对信号进行耦合(预编码)。
换句话说，只有对不同信号耦合两次时，相位才有影响，正如两个不同频率的连续波信号发生耦合，这样可以更容易理解。第一次合成信号时，两个信号间可能具有已知相位关系，也可能没有，这并不要紧；两个分量的振幅和相位并不会受到影响。然而，如果再次对它们进行耦合，两个信号间将存在相同部分，并将作为矢量求和。结果，振幅和相位将会发生变化，这种变化取决于初始相位和耦合因子的组合，结果甚至完全抵消。
这个简单的矢量相加例子说明了为什么开环MIMO不会受发射信号或接收信号相位的影响。这是因为在开环MIMO中，发射信号没有被再次耦合，信号只在信道中被耦合了一次。这还可以解释为什么上行MIMO使用两个位置不同的移动台时仍然可以正常工作。顺便指出，在这种情况下不能应用预编码，一方面是因为输入数据只对每个移动台自身有效，另一方面也是因为无法控制两个移动台之间的相位关系。
图3是一个上行多用户(协作)MIMO(MU-MIMO)测试的配置。虚线表示在实际系统中发生的过程，由基站控制各移动台的发射定时和功率，使各信号到达基站接收机时得以对准。各移动台根据基站的参考信号调整自己的频率。在测试中还可以使用电缆，并对定时、功率及频率偏移施加其它类型的干扰，用以验证接收机算法是否具有足够的鲁棒性。
须知四：可使用单端口输入分析仪进行交叉信道测量。
多数工程师开始时都采用单输入测量，不仅因为其测量简单，而且该测量还可利用已有设备提供大量有关射频器件工作状态的基本信息。在LTE和WiMAX中，存在用于MIMO信道训练的子载波，使用单输入分析仪的测量也非常重要。
图3：上行链路的多用户(协作)MIMO需要系统具有对功率、频率和定时对准的处理能力。图中所示的Agilent MXG带有基于Signal Studio软件的测试配置，可以分别改变以上参数。
信道隔离度作为解调过程测试的一部分，可以很容易被测量出来。这里假设信号在发射机里没有发生串扰。在LTE中，没有对参考信号进行预编码，即使应用了预编码，信道隔离度也不会对测量产生影响。而WLAN和WiMAX使用了直接映射方式。
采用发射分集的信号只需要使用一个接收机，所有只需要单端口输入分析仪就可对其进行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信号也可以分别进行分析，虽然不可能完全去掉多余的串扰。将单输入分析仪依次接到各个发射机输出端，就可以进行相应的码流分析。
使用单输入分析仪可完成最精确的射频相位和定时测量。如果利用功率合成器将多个输入馈送到单输入分析仪，如图4所示，对信号进行解调并将符号对准后，得到相对定时及射频相位测量值。这一方法完全消除了附加设备的影响，测量分辨率分别达到次纳秒级和度。
DL2×1 STC(时空码)或2×2 MIMO
2个发射机 功率合成器 信号分析仪 发射信号通过功率合成器后进行解调，恢复定时和相位关系
图4：使用单端口输入的MXA频谱分析仪和功率合成器进行交叉信道的射频频率和相位测量。
须知五：天线配置对信道路径相关具有显著影响。
在对接收机进行静态信道验证之后，可以使用诸如安捷伦新推出的PXB MIMO接收机测试仪，添加例如步行或车载速度模型的各种衰落，进行进一步验证。如前所述，信道中包括发射机天线和接收机天线。人们已经投入了大量精力，来研究如何建立天线配置变化对路径相关影响的模型。
如果只是为了进行证明，可以仅选取一些天线配置，但是如果为了设计或进行更彻底的性能比较，则应当使用更广泛的方案进行性能评估，这一点非常重要。使用Agilent PXB MIMO接收机测试仪(图5)可提供用户所需的灵活配置，并可计算各天线路径的相关因子。
图5：安捷伦的N5106A PXB MIMO接收机测试仪。
须知六：MIMO对载噪比的要求高于SISO。
在特定的信道环境中，信道容量将随着发射-接收对的数量呈线性增加，因此相对于SISO，MIMO能够得到更高的频谱效率。但是这是有代价的。在比较SISO和MIMO的性能时，首先要求所有发射信号具有相同功率。对于采用直接映射的MIMO信号，这相当于要求每个MIMO发射机的载噪比(CNR)至少要提高3dB，以获得相同的解调性能。如图6中左侧轴的文字所述。
如图6所示，由于MIMO信道引入了相互耦合，从左至右随着MIMO信道矩阵条件数的增大，所需的载噪比逐渐提高。矩阵条件数是一个标准的数学概念，表示特定MIMO信道容量的潜在增加。与本文相关的宣传资料中提供了关于如何计算矩阵条件数的详细信息。
同相(0°)耦合是MIMO接收机测试的第一步，这一步如同单信道灵敏度测试，它将验证训练信号中包含噪声时信道的恢复状况。当存在大量耦合时，由于处理精度不足在接收机信道估计时产生大量误差，将导致接收机性能比预期的下降更快。更进一步的测试是在耦合中增加延迟，即在OFDMA子载波中引入成比例的相位变化。
例如：一个信道条件数为10dB的MIMO信号的CNR要求比SISO信号大约高7dB，才能达到相同的BER。当然，MIMO信号承载2倍于SISO的数据量。
图6：结果表明MIMO需要比SISO更高的载噪比。
如图6所示，在Agilent 89600 VSA上显示呈V字型的EVM轨迹，表示在OFDM信号中的时延。在该实例中，首先调整了信号幅度，确保看到测量噪声，使得EVM(RCE)值上升。通过图5下面的中间及右边两张轨迹图可以清楚地看到随着条件数变差EVM上升的对应关系。
须知七：一个器件的失真将影响到所有耦合码流。
在直接映射中测量是针对各个发射机输出端分别进行的，由模拟器件(如放大器或混频器)产生的失真只会影响到它所处理的这一路码字(流)。但是，如果数据信号经过预编码，比如使用LTE中码本1或码本2预编码，所有码字将共用模拟器件，那么任何一个模拟器件的失真都将影响到所有码流。
为了产生图7中的测量结果，可对一个MIMO信号使用LTE码本1的1，1，1，-1进行预编码，或者对该信号采用WLAN的空间扩展方式。然后对其中一个接收机放大器的增益进行调整，直到ADC产生限幅。
左列是去除耦合前的两路信号。此处可以看到由于相关干扰造成的一种非正常的MIMO测量结果。QPSK显示为一个3×3的星座，被称之为“星座的星座”。尽管如此，也可以看出，在下面一路信号上，带有上面那一路信号所没有的某种失真。
中间一列中两个信号已经分开，均为QPSK信号，但是需要注意，这两个信号都带有失真，而在前面信号中有一个并没有失真。最后，右边一列显示了一组发射分集信号，馈送过程中其中一个发射机有失真。需要注意的一点是，两个信号显示都没有失真。这表明仅仅测量完全解码的分集信号会掩盖物理硬件所带来的问题。
图7：在左列中可以看到一个信道分量的失真只影响下面的轨迹。中间一列的空间复用信号则显示两个数据流都有失真。右列的迹线表明当采用分集技术而不是空间复用时，失真将被消去。
本文小结
对于无线电工程师来说，MIMO是对现有发射技术的有益补充。本文介绍了MIMO运用和测量的关键问题，安捷伦设计及测试方案可以帮助您确保接收机和发射机能够正常工作。
MIMO技术的引入，即发射和接收路径之间信号的相互耦合，打开了一个新的测量领域，在原先使用的单一信道测试上提出了新的性能测量需求。
本白皮书选自安捷伦“MIMO十大须知”中的一部分，其目的是让用户对MIMO技术的运用和测试方法有一个大概的了解。每一部分都会用实例来突出说明MIMO技术对于无线电系统或相关测试的影响。可从安捷伦申请十大须知的宣传资料(本白皮书的最后有订购信息)。
须知一：空间复用技术至少需要两个发射机和两个接收机。两个接收机应设在相同位置。
一些多天线技术，比如发射及接收分集，有时也会用到“多入多出”一词，但这些技术并不能直接增加无线链路的频谱效率。而实际上，空间复用技术能够在根本上增加系统容量，它与分集技术一样重要，两种技术经常结合使用。所以移动台可以只有两个天线，基站可以配有四个天线。
参看图1，空间复用的关键在于同时发射用户数据的不同部分。当信号通过包括天线在内的无线电信道进行传输时，必然会出现一些相互耦合。
图1：移动通信中非对称MIMO的运用。
MIMO技术的巧妙之处就在于避免了发射信号的互相干扰，这就需要我们知道信号是如何耦合的。在这个过程中需要和发射机的数目一样多的接收机，这也就引出了我们的第一项须知。
因为需要将原先分离发送的多路码流(在3GPP LTE中称为码字)在接收端耦合恢复成原始信息，因此需要将多个接收机放在相同位置。
而对于信号后处理来说，由于测量软件(如安捷伦89600 VSA)能够组合来自多个输入的IQ数据，然后进行信号分离和分析，所以不需限制将接收机硬件放置在相同位置。还有一种特殊情况，信号是通过电缆直接连接到分析仪，相互之间不会产生耦合，也就是直接映射。通过将单端口输入分析仪轮流连接到各个发射机，就可以恢复每一路码流。
如果被测试信号的帧与帧之间大体保持恒定，那么也可以用一个开关切换控制来捕获各路信号。Agilent N4011A MIMO多端口转接器即是WLAN中采用该技术的一个设备实例。
图2：LTE中的不同MIMO信道训练子载波。
须知二：MIMO技术在无线通信系统下行链路和上行链路中的应用是不同的。
在WLAN中上下行无线链路是对称的，但是这一模型针对移动通信应用发生了变化(如图1所示)，比如互联网下载业务要求下行链路的容量超过上行链路的容量。
WiMAX和LTE基站至少需要两个发射机。在很多设计中拥有四个或更多的发射机，便于同时使用MIMO技术和发射分集或者相控阵波束赋形技术。所有支持MIMO的移动台都有两个接收机。接收分集非常有用，所以即使最初没有MIMO技术，移动台也可能会使用两个接收机。
图1中还显示了将传输数据信号复用到码流和层时的相关术语。用户数据在发送时被分离成多路码流。如果同时使用空间复用和分集技术，那么还需要进一步将码流映射到层(如图中灰色方块所示)。如图显示了直接映射过程，发射之前两路码流不会故意进行耦合。
须知三：MIMO信号恢复过程由两个阶段组成。
在WLAN和WiMAX中，用户传输数据被复用到多路码流中时使用相同调制方式(QPSK、16QAM等)，而在LTE中则可能对每一路码流使用不同调制方式。因此信道恢复与数据恢复之间有明显区别，这是有关MIMO的另一个基本原理。
MIMO信号在通过信道传输时会相互耦合，在对各路码流进行解调之前，必须对这些信号进行分离。为此，接收机需要知道不同发射机的信道训练信息，这种信道训练机制被称为“非盲”。
在WiMAX和LTE信号中都有信道训练部分。不同发射机使用不同的信道估计子载波，使所有发射机的信道估计子载波都不会在相同时间使用相同的频率。802.11n最初也曾考虑使用此方法，但是最终采用了正交码来区分发射机。
图2给出LTE发射机两路信号的频谱图，并放大了一段训练符号频谱分量。可以清晰地看出，LTE参考信号(RS)子载波使用的频率不同。和WiMAX中的导频有一点不同，LTE的参考信号每三个或四个符号才发射一次。所有子载波的功率都是相同的，并且它们的相位和时间关系也是已知的，因此可以创建一个矢量方式来表示信道，它可以提供用于分离各路码流的系数。
须知四：相位差对开环MIMO没有影响。
开环MIMO是指发射信号是直接映射的，没有使用信道反馈对信号进行耦合(预编码)。
换句话说，只有对不同信号耦合两次时，相位才有影响，正如两个不同频率的连续波信号发生耦合，这样可以更容易理解。第一次合成信号时，两个信号间可能具有已知相位关系，也可能没有，这并不要紧；两个分量的振幅和相位并不会受到影响。然而，如果再次对它们进行耦合，两个信号间将存在相同部分，并将作为矢量求和。结果，振幅和相位将会发生变化，这种变化取决于初始相位和耦合因子的组合，结果甚至完全抵消。
这个简单的矢量相加例子说明了为什么开环MIMO不会受发射信号或接收信号相位的影响。这是因为在开环MIMO中，发射信号没有被再次耦合，信号只在信道中被耦合了一次。这还可以解释为什么上行MIMO使用两个位置不同的移动台时仍然可以正常工作。顺便指出，在这种情况下不能应用预编码，一方面是因为输入数据只对每个移动台自身有效，另一方面也是因为无法控制两个移动台之间的相位关系。
图3是一个上行多用户(协作)MIMO(MU-MIMO)测试的配置。虚线表示在实际系统中发生的过程，由基站控制各移动台的发射定时和功率，使各信号到达基站接收机时得以对准。各移动台根据基站的参考信号调整自己的频率。在测试中还可以使用电缆，并对定时、功率及频率偏移施加其它类型的干扰，用以验证接收机算法是否具有足够的鲁棒性。
须知四：可使用单端口输入分析仪进行交叉信道测量。
多数工程师开始时都采用单输入测量，不仅因为其测量简单，而且该测量还可利用已有设备提供大量有关射频器件工作状态的基本信息。在LTE和WiMAX中，存在用于MIMO信道训练的子载波，使用单输入分析仪的测量也非常重要。
图3：上行链路的多用户(协作)MIMO需要系统具有对功率、频率和定时对准的处理能力。图中所示的Agilent MXG带有基于Signal Studio软件的测试配置，可以分别改变以上参数。
信道隔离度作为解调过程测试的一部分，可以很容易被测量出来。这里假设信号在发射机里没有发生串扰。在LTE中，没有对参考信号进行预编码，即使应用了预编码，信道隔离度也不会对测量产生影响。而WLAN和WiMAX使用了直接映射方式。
采用发射分集的信号只需要使用一个接收机，所有只需要单端口输入分析仪就可对其进行全面分析。甚至采用直接映射的MIMO信号也可以分别进行分析，虽然不可能完全去掉多余的串扰。将单输入分析仪依次接到各个发射机输出端，就可以进行相应的码流分析。
使用单输入分析仪可完成最精确的射频相位和定时测量。如果利用功率合成器将多个输入馈送到单输入分析仪，如图4所示，对信号进行解调并将符号对准后，得到相对定时及射频相位测量值。这一方法完全消除了附加设备的影响，测量分辨率分别达到次纳秒级和度。
DL2×1 STC(时空码)或2×2 MIMO
2个发射机 功率合成器 信号分析仪 发射信号通过功率合成器后进行解调，恢复定时和相位关系
图4：使用单端口输入的MXA频谱分析仪和功率合成器进行交叉信道的射频频率和相位测量。
须知五：天线配置对信道路径相关具有显著影响。
在对接收机进行静态信道验证之后，可以使用诸如安捷伦新推出的PXB MIMO接收机测试仪，添加例如步行或车载速度模型的各种衰落，进行进一步验证。如前所述，信道中包括发射机天线和接收机天线。人们已经投入了大量精力，来研究如何建立天线配置变化对路径相关影响的模型。
如果只是为了进行证明，可以仅选取一些天线配置，但是如果为了设计或进行更彻底的性能比较，则应当使用更广泛的方案进行性能评估，这一点非常重要。使用Agilent PXB MIMO接收机测试仪(图5)可提供用户所需的灵活配置，并可计算各天线路径的相关因子。
图5：安捷伦的N5106A PXB MIMO接收机测试仪。
须知六：MIMO对载噪比的要求高于SISO。
在特定的信道环境中，信道容量将随着发射-接收对的数量呈线性增加，因此相对于SISO，MIMO能够得到更高的频谱效率。但是这是有代价的。在比较SISO和MIMO的性能时，首先要求所有发射信号具有相同功率。对于采用直接映射的MIMO信号，这相当于要求每个MIMO发射机的载噪比(CNR)至少要提高3dB，以获得相同的解调性能。如图6中左侧轴的文字所述。
如图6所示，由于MIMO信道引入了相互耦合，从左至右随着MIMO信道矩阵条件数的增大，所需的载噪比逐渐提高。矩阵条件数是一个标准的数学概念，表示特定MIMO信道容量的潜在增加。与本文相关的宣传资料中提供了关于如何计算矩阵条件数的详细信息。
同相(0°)耦合是MIMO接收机测试的第一步，这一步如同单信道灵敏度测试，它将验证训练信号中包含噪声时信道的恢复状况。当存在大量耦合时，由于处理精度不足在接收机信道估计时产生大量误差，将导致接收机性能比预期的下降更快。更进一步的测试是在耦合中增加延迟，即在OFDMA子载波中引入成比例的相位变化。
例如：一个信道条件数为10dB的MIMO信号的CNR要求比SISO信号大约高7dB，才能达到相同的BER。当然，MIMO信号承载2倍于SISO的数据量。
图6：结果表明MIMO需要比SISO更高的载噪比。
如图6所示，在Agilent 89600 VSA上显示呈V字型的EVM轨迹，表示在OFDM信号中的时延。在该实例中，首先调整了信号幅度，确保看到测量噪声，使得EVM(RCE)值上升。通过图5下面的中间及右边两张轨迹图可以清楚地看到随着条件数变差EVM上升的对应关系。
须知七：一个器件的失真将影响到所有耦合码流。
在直接映射中测量是针对各个发射机输出端分别进行的，由模拟器件(如放大器或混频器)产生的失真只会影响到它所处理的这一路码字(流)。但是，如果数据信号经过预编码，比如使用LTE中码本1或码本2预编码，所有码字将共用模拟器件，那么任何一个模拟器件的失真都将影响到所有码流。
为了产生图7中的测量结果，可对一个MIMO信号使用LTE码本1的1，1，1，-1进行预编码，或者对该信号采用WLAN的空间扩展方式。然后对其中一个接收机放大器的增益进行调整，直到ADC产生限幅。
左列是去除耦合前的两路信号。此处可以看到由于相关干扰造成的一种非正常的MIMO测量结果。QPSK显示为一个3×3的星座，被称之为“星座的星座”。尽管如此，也可以看出，在下面一路信号上，带有上面那一路信号所没有的某种失真。
中间一列中两个信号已经分开，均为QPSK信号，但是需要注意，这两个信号都带有失真，而在前面信号中有一个并没有失真。最后，右边一列显示了一组发射分集信号，馈送过程中其中一个发射机有失真。需要注意的一点是，两个信号显示都没有失真。这表明仅仅测量完全解码的分集信号会掩盖物理硬件所带来的问题。
图7：在左列中可以看到一个信道分量的失真只影响下面的轨迹。中间一列的空间复用信号则显示两个数据流都有失真。右列的迹线表明当采用分集技术而不是空间复用时，失真将被消去。
本文小结
对于无线电工程师来说，MIMO是对现有发射技术的有益补充。本文介绍了MIMO运用和测量的关键问题，安捷伦设计及测试方案可以帮助您确保接收机和发射机能够正常工作。
