无线通信的未来始于今天的MIMO：WiMAX、HSPA+和LTE测试挑战

通信市场和底层的语音和数据服务技术的发展趋势是在同一频谱上提供更高的数据速率，以满足日益增长的用户需求。本文综述了多入多出（MIMO）传输机制的底层标准，包括802.16e mobile-WiMAX Wave 2、HSPA+和LTE。其中涉及广大工程师们在设计基于多射频/天线技术的产品时用到的MIMO信号发生、调制质量测量、信道仿真和波束赋形理论。
 
引言
MIMO技术将频谱效率提升到了一个全新的水平，根据其采用的传输技术，能够实现更高的数据吞吐率或者更大的覆盖率。但是，频谱效率的提高是以更高的复杂性为代价的。从概念上看，MIMO技术非常简单：它采用多路射频载波传输更多的信息，通过在占用相同带宽的同一信道上传输所有信号的方式来提高频谱效率。例如，2×2的MIMO射频具有两个发射器和两个接收器，4×4的MIMO具有4个发射器和4个接收器。
目前很多MIMO系统采用的都是2×2配置架构，但是市场的发展将会出现更大规模的配置。WLAN、WiMAX和LTE已经采用了4×4的配置架构。目前人们研究的波束赋形技术旨在在设备内配置更大规模的射频系统，以便为用户尽可能提供最多的服务。目前，8×8甚至16×16的射频配置是商用宽带射频研究领域的主流。

MIMO理论
MIMO的工作原理是对传输信道进行精确建模，将多个接收到的符号分解恢复成单路数据流。为了说明这一原理，我们不妨以WLAN 802.11n为例（如图1所示）。发射器以一个报文头的形式发出一个已知信号。接收器据此构建一个信道模型，用H表示。当发出数据时，接收器根据信道模型尽可能逼近原始矢量，其中假设传输误差用噪声矢量（n）表示。

图1 传输信道的原理

尽管信道建模理论适用于所有的MIMO系统，但是这一方法对于不同的标准是不同的。例如，在基于WLAN 802.11n的系统中，报头信息在TX1和TX2上都进行发射，但是基于WiMAX 802.16e Wave 2的系统仅仅在第一个发射器上发射报头。经过解析的传输路径（即h11和和h22）称为空间流。

测量系统的时间对准
信道使信号发生失真有多种情况。例如，周围物体的反射会导致信号的多个实例在不同的时间到达接收器（多路径）。多路径造成了幅值衰减以及时间和相位的延迟。从理论上，某个信号的信道失真越多，接收器算法就越难解析出原始发射信号。如果发射器或者接收器进一步引入了幅值、时间和相位误差，我们就无法对信道进行准确的建模，就不能有效地解析出符号。

为了确保MIMO的测量有效而准确，所采用的测量设备，即信号源（发射器）和分析仪（接收器），必须与它们本地的晶振进行相位对准，与参考频率进行时间对准，确保D/A和A/D抽样率一致，以尽可能地减少它们对信道的影响。理想地，如果相位误差低于1°，时间对准误差小于1ns，那么就可以得到准确的结果。

系统性能
调制质量指标：对于大多数传统数字传输系统而言，衡量调制质量的关键指标是实际接收到的符号矢量（或符号相位与幅值失真）与接收器期望值的对比情况。最常用的是EVM（误差矢量幅值），但是不同的通信标准也存在不同的指标，例如相对星误差（Relative Constellation Error，RCE）。对于MIMO系统，总EVM也是一个很好的衡量指标；通过计算RMS EVM可以从总体上表示各个发射器的调制质量。

图2(a) 信道行为建模

图2(b) 衰减与矩阵条件

星图：星图是接收信号质量的图形化表示。MIMO系统有多种星图。2×2系统有两个星图，表示两个解析出的空间流：h11和h22。4×4系统有四个星图。对于传统的数字系统，可以从星图中得到同样的质量指标，例如相位误差、噪声和IQ均衡。

信道响应：信道响应是表示空间流行为的一个关键指标。在图2(a)中，两个发射器通过同轴电缆直接连接接收器。两条平直的线表示h11和h22，而两条像噪声一样的曲线表示h21和h12。这表明信道隔离度很高。在图2(b)中，其中一条码流引入了延迟。这在下面的OFDM符号中造成了大幅度的衰减。

通过使用天线——或者实现更定量的衡量，信道仿真器——有可能导出一个精确的信道模型。这能够帮助人们在设计发射器的时候以经过校准的接收器为基准，判断各种信道条件下信号传输是否是可靠的。同样的，采用不同的信道模型也可以测试接收器。采用任意波形发生器或者实时信道仿真器将一定的信道失真加载到标准波形上，就可以产生这些信号。

由于MIMO系统的性能取决于信道的行为，因此必须使用多种不同的信道模型对发射器和接收器进行测试——既包含预定义的标准，也包含用户定义的模型——确保设计能够在各种环境下保持稳定的性能。图3给出了一种典型的配置。根据待测设备是发射器还是接收器，其中的2820型矢量信号分析仪（VSA）和2920型矢量信号发生器（VSG）可以被发射器或接收器所取代。

矩阵条件和奇异值：与EVM一样，矩阵条件数也是表征发射器性能的一个很好的指标。它实际上衡量的是每个空间流的正交情况。例如，如果采用电缆将VSA与发射器相连，那么矩阵条件应该接近于一（即0dB）。如果不是这样，那么发射器可能产生了一些流间干扰，原因可能来自于DSP内的数学误差或者射频部分的问题。由于矩阵条件是最大奇异值的比，因此通过选择奇异值测量就可以检查每条码流的奇异值。常用的测量方法是监测矩阵条件数直到出现一个不正常的大值，然后转而监测真正的奇异值，得到矩阵的解。图2(b)将信道响应和矩阵条件做了对比。

码流性能
我们可以通过多种方法分析各条发射码流的性能。
测量一段时间：测量一段时间内的EVM、幅值或者频率误差能够帮助我们找出与每路射频的时间行为相关的问题。例如，某个射频发射器FPGA中的一个毛刺可能导致EVM出现周期性的误差。

图3 WiMAX将所有合而为一

在基于正交频分多路复用的并行符号传输方式下，时间增量通常是指OFDM符号周期（图3的横轴），每个时间增量包含成千上万个符号。例如，WiMAX（802.16e）在每个OFDM符号周期内能够传输128～2048个符号。图3的纵轴标识为子信道（subchannel）。这些子信道并非真正的物理信道，而是每个OFDM符号周期内传输的成组的并行符号。通过这类符号图就可以定义802.16e信号是如何构成的以及它的时间行为如何。
调制质量频率：测量EVM或幅值与频率的关系能够帮助我们找出带内问题，例如可能由射频内部的时钟产生的低水平寄生干扰。

波束赋形
MIMO的一个重要优势——也是其最初的用途之一——就是能够通过一种称为波束赋形（beam forming）的过程将射频能量定向到特定的用户。很多商用系统的标准都支持MIMO波束赋形或者闭环MIMO。虽然波束赋形的优势在于能够为用户提供更大的容量，但是它增加了设备的复杂性，因为需要采用阵列式的发射器、接收器和天线来控制发射信号的方向和形状，这本身取决于信道环境。人们采用诸如信道声探（channel sounding）之类的技术对信道建模，然后构建出正确的码流相位和幅值。测试设备需要扩展到8×8的架构，使其能够控制每个信号源的相位和幅值，根据计算出的信道信息构建所需的射频发射码型。

结束语
在从模拟传输技术转向数字传输技术的过程中，MIMO是商用射频技术最重要的发展趋势之一。所有下一代通信标准都是基于MIMO的，这为商用通信设备的设计者们提出了很多新的挑战。随着用户需要越来越多的服务和越来越可靠的链接，MIMO系统将会围绕诸如波束赋形之类的技术而向前发展，增加一台设备中的发射器、接收器和天线数量。