测量MIMO：新技术需要新的测试手段

与现有的IEEE802.11a/b/g系统相比，IEEE802.11n系统确保具有增大的数据速率、更佳的频谱效率、更高质量和更具鲁棒性的系统。为了支持这些需求，业界已经提出了几种设计思路。

通过把802.11a/g系统中采用的54个副载波数量增加到114个，就可以增大数据速率。可是，该方法占用的频谱比现在要多两倍有余，并且不会增加鲁棒性或频谱效率。

因此，IEEE 802.11n标准中决定采用MIMO技术。MIMO是针对多天线无线发射和接收的一系列技术，它能够增加同一占用带宽内可实现的数据吞吐量、可以提高通信的质量并容许极大地提高频谱效率。

尽管MIMO技术为系统性能带来了实际的好处，但是，它也增加了设计和系统评估及验证中面临的挑战。有必要考虑采用新的测量技术来测试MIMO系统。

设计MIMO系统面临的挑战

有很多方法可以实现MIMO处理，包括MIMO多路技术、MIMO分集及其它技术。IEEE 802.11n将采用空分多路技术(SDM)，它是MIMO多路技术的一种形式。

通过采用多天线和专用编码机制，可以改善分集增益和提高吞吐量。理论上说，增加天线分支的数量就能够使数据吞吐量随着天线对数量的增加呈几何增长。IEEE 802.11n将支持最多4个发射天线。

尽管存在多种MIMO配置，本文将分析2X2 MIMO系统的应用(两个发射天线和两个接收天线)。

图1所示为2X2 MIMO系统中数据包从基带到多路天线的连续多路过程。每一路天线上传输不同的数据包(Tx1和Tx2)，并且信号在自由空间环境中合成。空间分集和多径传播是实现MIMO的关键单元，也是在系统设计中的重要挑战。在系统的接收端，多传输路径的合成信号在每一个接收天线(Rx1和Rx2)上被接收。

天线分支之间的信道特性是不一样的。物理分隔距离(空间分集)和天线分支之间的空间衰落相关系数对数据吞吐量有影响。要特别注意每一个天线位置的设计以使空间衰落相关系数最小。在接收机(Rx1和Rx2)中，Tx1和Tx2信号必须从每一个接收信号中分离，以使发射信号被恢复为原始的Tx1和Tx2信号。通过增加接收天线的数量，就可能改善传输的质量。

提高MIMO系统传输效率的关键性能参数是：接收机利用每一个信道不同的传播特性分离传输信号所达到的精度有多少？

设计工程师不仅要考虑发射机和接收机的特性，还必须设计能够容许信道传播特性变化的系统架构。在一个典型的环境中(办公室或家庭)，信道传播特性会随着“移动干扰源”—如在室内来回走动的人—而随时变化。

图1：典型的2x2 MIMO系统的例子

考虑到这样一个动态变化的传播环境，需要计算每一个数据包的信道传播特性以优化传输性能。因此，用于优化的先进算法必须具有精确性、适应性和快速计算能力。

MIMO测量面临的挑战

如果不采用MIMO技术，当评估诸如802.11a/b/g之类的现有WLAN系统时，就没有必要考虑信道传播特性。当在部署接入点或在现场调试的时候，只须测量采用单一天线或单个连接的信号强度以确定故障。

在设计实验室通常要利用频谱分析仪之类的测试和测量工具，通过电缆将测量工具连接到发射机的天线连接器。在一个MIMO系统中，设计工程师必须考虑多径衰落信道的特性及包含多径衰落信道的传输信道的传播特性，而不仅仅是在天线连接器处测量单一发射器的性能。

当在系统中采用MIMO后，评价发射信号通过衰落传播信道时的合成传输信号更为重要。这个任务目前很艰巨，因为在自由空间环境中的多路合成信号必须被分离以便于分析。

如上所述，MIMO信号包含许多不同的分量信号，如Tx1和Tx2信号，两者都遇到参数变化的衰落传播信道，使被测信号成为具有独立传播环境的Tx信号的复杂结合。为了对如此复杂的信号进行精确的评估，工程师需要用多台仪器来采集多根天线的信号。那么就有必要从这多个被采集的信号中分别提取Tx1和Tx2信号。

评估数字调制信号的最常用的测量方式是误差向量幅度(EVM)测量。通过在星座图中比较解调符号的实际和理想的幅度和相位位置，EVM测量为测量调制质量作出了标记。

除了EVM测量，设计人员通常要检查载波随时间的误差、副载波功率及其它与频谱相关的性能，如所占用的带宽和发射频谱。由于MIMO环境会受到快速和动态传播变化的影响，必须施加不同的衰落参数和测试条件以测量系统的性能，以及适应环境的算法的鲁棒性能。

在实验室中，设计工程师常常用Bulter矩阵仿真对实际环境进行静态仿真，以便评价多信号/多路径传输。Bulter矩阵由一些混合器件、相移器和交叉耦合器构成，它具有多输入和多输出。

由每一个输出连接器提供静态输出功率，输出的相位按照相移器的参数被线性移相。Bulter矩阵位于发射机和接收机之间，以便仿真信道传播环境的静态行为。

在部署或初始现场试验期间出现故障时，对多径衰落传播信道提取特征对于发现错误是至关重要的。这些测量需要长时间记录采集数据，并且必须对每一个数据包进行分析。

一旦采集到传播信号，就有必要隔离并分离合成信号。图2所示为采用两台RSA3408A获得的2X2 MIMO-OFDM信号的星座图。

图2：在接收天线处对Tx1和Tx2的星座进行测量的结果

Tx1和Tx2信号被分离并单独解调，然后要计算每一个星座。你可以看到Tx1(右边)信号星座的形状比Tx2(左边)的要好，这就向我们表明：传输信道的不同特性会影响信号的质量，即使两个信道的噪声电平是一致的。这表明，对传输信道特性的测量将变得越来越重要。

作者:Yoneo Akita

软件设计工程师

Koichi Sega

产品行销经理

Tektronix公司(日本)