无线MIMO测试开发策略

　　引言

有限的带宽和不断增加的新的无线服务的需求为通信领域新技术的采用开辟了道路，这些非传统技术有效提升了数据容量。新采用的这些技术中的一种就是利用多天线设计的多输入、多输出（MIMO）系统架构。MIMO利用了发送和接收天线之间的空间分集技术——由信号衰落和多径环境引起的多信号路径产生——来增加数据吞吐量而无须额外的增加带宽。但相比传统的单流架构MIMO，系统复杂度增加了许多，带来了更大的测试挑战，需要独特的设备和测试方法。

本文介绍了MIMO测量的不同种类，包括噪声和干扰对于信道的损害，并提供一些图片示例方便大家对于测量结果的理解。

对于新近的无线通信标准，高数据吞吐量是最基本的要求，这些新标准MIMO都有参与，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移动WiMAX Wave 2和3GPP长期演进（LTE）。这些新系统都结合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交频分多址接入）的采用，来实现在不增加信道带宽的前提下增加数据吞吐量。

　　SISO与MIMO比较

在传统的单输入、单输出（SISO）通信系统中（如图1a所示），例如，传统的IEEE 802.11a/b/g无线局域网络（WLAN）系统，一个无线链路采用了单发射器和单接收器。也许会在每个通信链路终端上采用多个天线，但在同一时刻只有一套天线被采用，并只有一个载波传输单流的数据。在理想的通信信道中，无线信号从发射器到接收器只通过单一路径传输，但无线信道中的障碍物（比如楼宇和各种地形）和移动影响产生了多径效应，因此，接收器会接收到多个信号。反射的信号由于相比直接传输的信号传播路径更长，会受到衰减和延迟的影响。因为传输路径的不同，这些反射信号的相位也各不相同。因此，接收机信号的重建面临难度，会造成接收信号强度的波动。较强的多径效应会降低吞吐量或者造成数据丢失。

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图3 EVM星座图提供潜在MIMO系统问题的示意图，这些问题包括噪声（模糊的圆点），I/O不平衡（偏移的圆点）和相位噪声（圆点变成了圆环）

这样的颜色定义的图表让发射信号问题的定位十分简单。例如，红色或蓝色的子载波星座点如果从理想的白色点偏移就表示I/Q不平衡，而星座点出现模糊则表示传输信号有噪声，星座点呈现圆环状则意味着过多的相位噪声。

与更为常见的X-Y坐标图一起，信道的一系列测量显示了MIMO系统中相对子载波的标图矩阵和信号矩阵的健康程度。图4中对信道翻转和符号传输的系统能力的测量，可以用来确定MIMO系统中各个信号流的正交性。通过传输反转的符号，系统的覆盖性可以得到分析，通过传输并行的符号，系统吞吐量可以得到评估。

图4 X-Y图示表明了MIMO信道子载波的正交性，标示了子载波的情况

信道响应测量显示了子载波的平坦度，这是子载波。例如一个IEEE 802.16e OFDM信道上的测量（如图5所示），绿色的轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第一个接收机（Rx0）的功率；上面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第二个接收机（Rx1）的功率；蓝色轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第二个接收机（Rx1）的功率；下面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第一个接收机（Rx0）的功率。对应子载波的功率电平指出了信道平坦度，主要信号和间接信号的区别显示了信道隔离（图例中小于40dB）。这些测量通过直接将发射机和接收机用同轴电缆连接来进行。

图5通过直接连接MIMO的发射机和接收机，可评估信道平坦度和信道隔离度，示例中为一个2×2 MIMO系统

一系列针对时域和频域的测量可以显示出MIMO性能在不同的情况下会改变。例如，对应OFDM符号时间的EVM测量可以指出随着时间变化的干扰问题或性能变化。对应子载波的EVM测量可以用来分析带内噪声效应，例如，假信号。针对OFDM符号时间的功率测量可分离出带内幅度偏差。针对OFDM符号时间的频率测量可以用来检查频率精度，分离出一个信息包内一段时间的频率漂移问题。

　　硬件构造

针对MIMO测量的测试系统必须精确地模拟MIMO系统的工作，可以产生需要的信号频率、幅度和相位，可以在测试设备（DUT）中捕获和分析信号。测试系统必须支持采用的调制格式，并支持测试中的所有调制带宽。对于测试信号产生过程，一个任意波形发生器或者矢量信号发生器（VSG）需要提供对产生实际测试信号的控制，而一台矢量信号分析仪（VSA）可以作为测试接收机。为MIMO系统设计的一切测试系统应该能提供配对发射机和接收机数量需要的测试信号源数量和信号分析仪数量，还应该能满足以后的升级需求。例如，吉时利公司提供的MIMO测试系统可从单一VSG和VSA升级到8×8信道系统，并可以灵活的对信号源和分析仪在那个范围里面进行配置。

如果多个信号源和分析仪的同步是MIMO测量中最基本的，那么这些仪器还需要一个普通的参考示波器。例如，在图6所示的吉时利公司(www.keithley.com)的2×2 MIMO测量系统中，VSA和VSG设备需要专门的同步组件。这些组件提供一些通用的信号，例如，本地振荡、通用时钟和精确触发，提供低的采样和RF载波相位抖动，这对于OFDM MIMO信号的精确和可重复测量是非常必要的。特别的，同步组件提供低于1°的峰峰值抖动。

图6 这个MIMO测试系统基于多通道向量信号发生器（VSG），向量信号分析仪（VSA），和由计算机控制工作的同步组件和客户定制测量软件

MIMO测试系统的有效和简单使用也要同时依靠系统的测试软件。随着MIMO技术在无线通信系统中的不断采用，实用测试软件(off-the-shelf test software)在简单化系统和信道测量中得到普遍采用。例如，吉时利公司的SignalMeisterRF通信测试工具包软件Model 290101，提供了诸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO应用的复杂信号产生和信号分析能力。这个软件包与吉时利公司的VSG、VSA和MIMO同步组件无缝配合，为复杂的通信系统组建了一个完整的测量系统。除了EVM和MIMO信道响应测量，该软件还可以应对SISO系统的评估。

我们目前讨论的测试和测量可以用来评估理想状态下MIMO通信系统和系统中元器件的性能。不过在信号较弱的情况下MIMO系统的表现又该如何呢？在这种情况下，需要不同种类的测试类型，例如，信道模拟器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系统和元器件的分析方法，这些削弱包括信号衰减、高斯白噪声(AWGN)、信道串扰、甚至多普勒效应——通常由车内通信终端针对基站的移动产生。

信道模拟器必须作为MIMO系统中的发射机和接收机，还必须具备削弱信号和增加延时等模拟真实世界环境的能力。一个合格的信道模拟器还提供软件定义无线电模组，例如，WiMAX中的ITU M.1225 A和B。一个实用的信道模拟器必须超越被测系统的性能，并提供需要时用于生产测试的能力。模拟器还需要具有双向功能，这样既可以提供上行链路测试还能提供下行测试。通过另外提供互易校准测试（calibrated reciprocal tests），模拟器对于采用波束成形技术的MIMO系统测试非常有用。最后，尽管本文举的例子是针对2×2 MIMO系统的，但一个有效的信道模拟器还能支持4×4 MIMO系统，来实现各种MIMO系统的完整支持。例如，Azimuth系统公司(www.azimuthsystems.com)的ACE 400WB信道模拟器就是一个支持4×4 MIMO系统测试的双向组件。