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本帖最后由 賈延安 于 2009-9-23 15:31 編輯 Randall T. Becker 安捷倫科技 應用工程師 2009-09 多路輸入多路輸出(MIMO)技術通過頻譜效率的改進可提供更高的數據速率[1,2]。MIMO系統的性能與接收到的信干噪比(SINR)及多路徑信道和天線配置的相關屬性直接相關[3]。無線信道可使某些MIMO接收天線端的SINR降低，但通過在發射機端使用波束賦形，還是能夠提高系統性能。雖然波束賦形與波束控制經常一起使用，但明白二者的差別是非常重要的，波束賦形是一種信號處理技術，波束控制是改變輻射主波瓣的方向。波束賦形非常適用于MIMO應用。3GPP長期演進(LTE)標準[4]包括幾種發射波束賦形技術，可在各種信道條件下優化系統性能。其中一種就是預編碼技術，它可以提高和/或均衡通過多個接收機天線接收到的 SINR。 MIMO和預編碼 圖 1a 顯示了標準2×2 MIMO空間多路復用圖。假設無線信道將在發射天線和接收天線之間提供 4 個獨立連接。每個信道連接(圖中以箭頭來表示)均代表所有傳輸路徑的一個獨特組合，其中包括直接視距(LOS)路徑(如果存在)，以及由于周圍環境的反射、散射和衍射而生成的無數多路徑。根據得出的信道條件，如果任何一條接收天線的SINR太慢，MIMO 系統則可能無法恢復發射的數據流(層)。如圖1b所示，在了解當前信道條件后，發射機通過添加預編碼，能夠在傳輸之前有效地結合各層，達到通過多個接收天線均衡信號接收的目的。預編碼方案是專門針對空間多路復用和發射分集應用而設計的[4]。 
預編碼以發射波束賦形的概念為基礎，該概念支持多個波束同時在MIMO系統中進行傳輸。LTE標準定義了一組復雜的加權矩陣，以便使用高達4×4的天線配置在傳輸之前對各層進行組合[4]。對于2×2的配置來說，將加權矩陣W乘以輸入層，就能得出將要發射的預編碼信號。
此處，x(q)(i) 是預編碼(q=0, 1)之前的輸入層，y(q)(i) 是應用于每個發射天線的預編碼信號。這個最簡單的預編碼矩陣將每一層映射到專門用于發射那一層的單一天線上，而不需要與其他天線進行任何耦合。在這種情況下，由碼簿索引 0 定義的加權矩陣將變為：
由碼簿索引 1 定義的第二個預編碼矩陣提供兩個輸入層相加和相減的線性組合。碼簿 1 的加權矩陣為：
該碼簿選擇功能允許每個信號層的一部分通過每個天線進行發射，并根據信道條件，在試圖改進和均衡每個 MIMO 接收機的 SINR 時，提供一定的靈活性。 LTE 標準針對預編碼空間多路復用傳輸為兩個發射天線配置提供了4個碼簿矩陣，為4個發射天線系統提供了16個碼簿矩陣。要想恰當地選擇最佳的預編碼矩陣，就必須要了解發射機當前的信道條件。信道條件由創建閉環系統的MIMO接收機的反饋提供。對于LTE預編碼的下行鏈路傳輸，移動終端或用戶設備(UE)將測量信道特征，并確定預編碼矩陣索引(PMI)、信道質量指示符(CQI)和/或排名索引(RI)。該信息將發送到基站(eNB)，由基站來修改預編碼碼簿選擇，從而提高整體系統性能。由于信道條件可能隨著時間的變化而快速改變，因此系統在關閉反饋環路時避免過分延遲是非常重要的。減少信令開銷和相關反饋延遲可通過限制碼簿選擇數量來實現。不幸的是，減少碼簿數量也會限制可調整的預編碼數量，進而降低預編碼的效力。 LTE 系統設計要求對系統性能、預編碼選件和反饋限制的平衡非常精通。一個靈活的測量系統能夠以獨特的視角，在各種仿真信道條件(包括噪聲、干擾和天線/信道相關)下對預編碼進行深入分析。 預編碼測量實例 在各種信道條件下檢測預編碼和 MIMO 的工作性能時，需要有各種必要的測量工具。圖 2 顯示了典型的2×2 MIMO測量設置，它由無線信道仿真器、信號源和信號分析儀組成。信道仿真器用于創建真實的多信道、多路徑環境(包括天線和空間相關的影響)。某些商用仿真器具有內置基帶發生器，通過在軟件工具中開發的標準模型或定制模型，可生成復雜的波形。信道仿真器輸出復雜的基帶波形，代表預編碼MIMO信號已被多路徑、噪聲和/或干擾所修改。之后，這些基帶波形將使用許多射頻矢量信號發生器提供的模擬同相(I)和正交相位(Q)輸入，調制到射頻載波上。基帶數據也可通過信號發生器的數字I和Q輸入調制到射頻載波上。這是首選方案，因為這種方案可提供最佳性能，并且能夠執行系統的自動功率校準。在圖2所示的測量系統中，兩個射頻信號發生器就是雙信道MIMO接收機的輸入。請注意，使用多個信號發生器仿真MIMO系統時，雖然不要求對設備進行鎖相，但在測試過程中，各個發生器之間需要有一個穩定的相位關系，這是十分重要的。“鎖相”通常被稱為“相位相干性”，它表示在特定載波頻率上工作的兩個或多個信號發生器的射頻輸出間的固定相位關系。由于每個數據層的信號在進行傳輸之前都要根據已知的信道條件添加一個矢量，因此正確的相位關系對預編碼操作十分重要。如果用來仿真多個發射機的信號發生器有一個未知和/或隨時間變化的相位關系，接收到的信號就可能出現不希望的相位偏置，從而導致一個或多個恢復數據流的性能降低。在使用兩個現代射頻信號源的測試系統中，兩臺發生器將通過共享一臺發生器的未調制的本地振蕩器(LO)來保持相位相干性(參見圖 2)。在某些具有多個射頻信號發生器(例如4×4和2×4配置)的測試系統中，推薦使用單獨的射頻信號發生器作為主本地振蕩器，以便為信號發生器的本地振蕩器輸入提供足夠的驅動電平。
在圖 2 所示的測量實例中，雙信道 MIMO 接收機使用兩臺矢量信號分析儀(VSA)來配置，通過電纜將兩臺信號發生器直接連接到 MIMO 接收機的輸入端，可以使用類似配置測試實際 2x2 MIMO 接收機系統的性能。在本例中，信道仿真器引入了可能在實際環境中出現的多路徑和信道減損。在測試 MIMO 發射機或 eNB 時，發射機可以直接連接到信號分析儀上。根據測試設備上的測量端口總數，可有多種將 MIMO 發射機連接到信號分析儀的可能配置。例如，通過使用功率組合器將 MIMO 發射機的多個信號添加到分析儀的通用端口，可以使用單路輸入分析儀進行 MIMO 極限測試。在這種情況下，由于發射的下行鏈路參考信號在頻率和/或時間上成正交關系，每個傳輸天線端口的單個參考信號都可通過單路輸入分析儀來分析 EVM 特征和定時誤差。當使用兩個單路輸入分析儀進行測試時，雙信道 MIMO 發射機可以直接使用電纜連接到分析儀。在這種情況下，即便是在碼字采用預編碼而導致每層都包含一些獨立碼字組合的情況下，分析儀也能恢復每個碼字的獨立數據。這種配置對于評測傳播信道(將會發生信道的交叉串擾和交叉耦合)的影響也非常有用。 使用 LTE 預編碼實現潛在系統改進的測量實例現在將通過上面介紹的基本 2×2 MIMO 系統來演示。信道仿真器經過配置可生成一個“靜態”的多路徑信道，從而造成一個接收信號具有高 SINR，另一個接收機信號具有低 SINR。圖3 顯示了采用(下圖)和未采用(上圖)預編碼的雙信道 MIMO 信號進行恢復后所測得的星座圖。對于未采用預編碼的測量(參考了 LTE 標準中的碼簿索引 0)，數據層直接映射到兩個發射天線，并通過仿真的多路徑信道進行發射，這就使接收到的第一個信號 rx0 具有相對較高的 SINR，而接收到的第二個信號 rx1，則受到了嚴重的衰減，具有很低的 SINR。第二個信號的質量及這兩個信號間巨大的 SINR 差別使正確解碼這個兩信道 MIMO 信號變得非常困難。在本例中，當使用預編碼時，通過碼簿索引 1，較差的信道條件所帶來的負面效應可在一定程度上消除，因為預編碼將試圖均衡在每個接收機上測得的 SINR。從這個測量實例的結果可以看出，較差質量的信號 rx1 的 SINR 得到了改進，另一個信號 rx0 的 SINR 雖然有所降低，但仍在可接受的范圍內。通過對兩個接收信道進行適當地均衡，MIMO 接收機能夠輕松恢復正交發射信號。
前面已經提到，射頻信號發生器之間的相位相干性對于正確解調獨立的數據層非常重要。當已選擇好預編碼索引(index)來均衡接收機性能時，我們假設信號發生器有一個已知的相位偏置。如果發生器間的相位關系發生改變，一個數據層的性能下降，而另一個可能會提高。例如，我們繼續來看圖 3 所示的預編碼測量，為了均衡兩個接收機間的性能和它們相關的星座圖，我們選擇了預編碼索引 1。在本例中，射頻信號發生器的相位相干采用 0偏置。星座圖質量的品質因數是誤差矢量幅度(EVM)。EVM 是一個數字，通常用百分比表示，它可定量分析接收到的信號與離理想星座圖的偏差。低 EVM 值代表高質量的信號。在圖 3 所示的預編碼測量中，兩個接收機上的 EVM 大約為 13.5%。現在，如果在兩個信號發生器間引入相位偏置，則一個接收機的 EVM 會降低，另一個則會提高。圖 4 顯示了 EVM 與上面介紹的 2x2 系統中每個數據流的相位偏置的對應關系。如圖所示，當相位偏置為 0時，說明為仿真的無線信道選擇了恰當的碼簿。當相位偏置增加時，數據流 1 的 EVM 會降級，數據流 2 的EVM 將改進。當相位偏置減少時，也可觀察到相反的效應。兩個接收機間 EVM 的降低會導致選擇的碼簿與預期的信道特征失配。如果相位偏置是一個固定值，選擇不同的碼簿可能會再次均衡接收機性能。遺憾的是，當使用非相干信號發生器時，隨時間變化的相位關系會極大地影響測得的 EVM 結果和系統性能。為了解決這個問題，相位相干信號發生器(如圖 2 中所描述的測量設置)將會消除多個發生器間隨時間變化的相位偏置。
參考文獻： [1] 安捷倫應用指南：3GPP Long Term Evolution: System Overview, Product Development, and Test Challenges[R]. 5989-8139EN，2008. 5 [2] 安捷倫應用指南 1509：MIMO Wireless LAN PHY Layer (RF) Operation & Measurement[R]. 5989-3443EN，2008.4 [3] 安捷倫應用指南：MIMO Channel Modeling and Emulation Test Challenges[R].5989-8973EN，2008. 10 [4] 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Channels and Modulation (Release 8)[R]. 3GPP TS 36.211 V8.4.0 (2008-09), 2008 [5] 安捷倫應用指南：Improving Methods for Measuring Distortion in Broadband Devices [R].5989-9880EN，2008. 12 [6] Rumney, Moray. LTE and the Evolution of 4G Wireless: Design and Measurement Challenges[R].安捷倫科技公司，2009 |
