無線MIMO架構(gòu)測試的不同種類及開發(fā)策略

　　引言

　　有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務的需求為通信領(lǐng)域新技術(shù)的采用開辟了道路，這些非傳統(tǒng)技術(shù)有效提升了數(shù)據(jù)容量。新采用的這些技術(shù)中的一種就是利用多天線設計的多輸入、多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)。MIMO利用了發(fā)送和接收天線之間的空間分集技術(shù)——由信號衰落和多徑環(huán)境引起的多信號路徑產(chǎn)生——來增加數(shù)據(jù)吞吐量而無須額外的增加帶寬。但相比傳統(tǒng)的單流架構(gòu)MIMO，系統(tǒng)復雜度增加了許多，帶來了更大的測試挑戰(zhàn)，需要獨特的設備和測試方法。

　　本文介紹了MIMO測量的不同種類，包括噪聲和干擾對于信道的損害，并提供一些圖片示例方便大家對于測量結(jié)果的理解。

　　對于新近的無線通信標準，高數(shù)據(jù)吞吐量是最基本的要求，這些新標準MIMO都有參與，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移動WiMAX Wave 2和3GPP長期演進（LTE）。這些新系統(tǒng)都結(jié)合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實現(xiàn)在不增加信道帶寬的前提下增加數(shù)據(jù)吞吐量。

　　SISO與MIMO比較

　　在傳統(tǒng)的單輸入、單輸出（SISO）通信系統(tǒng)中（如圖1a所示），例如，傳統(tǒng)的IEEE 802.11a/b/g無線局域網(wǎng)絡（WLAN）系統(tǒng)，一個無線鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會在每個通信鏈路終端上采用多個天線，但在同一時刻只有一套天線被采用，并只有一個載波傳輸單流的數(shù)據(jù)。在理想的通信信道中，無線信號從發(fā)射器到接收器只通過單一路徑傳輸，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動影響產(chǎn)生了多徑效應，因此，接收器會接收到多個信號。反射的信號由于相比直接傳輸?shù)男盘杺鞑ヂ窂礁L，會受到衰減和延遲的影響。因為傳輸路徑的不同，這些反射信號的相位也各不相同。因此，接收機信號的重建面臨難度，會造成接收信號強度的波動。較強的多徑效應會降低吞吐量或者造成數(shù)據(jù)丟失。

圖1 傳統(tǒng)的SISO架構(gòu)的無線信號鏈路（a），采用一對天線在同一時間進行發(fā)射和接收而MIMO系統(tǒng)（b）同時采用多信號和多天線

　　因為在指定通信信道中，OFDM通常與MIMO進行組合來增強數(shù)據(jù)吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的。例如，OFDM在 IEEE 802.11g (Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統(tǒng)中得到了采用。在MIMO的基礎(chǔ)上，采用OFDM可以進一步提升數(shù)據(jù)吞吐量，而無須增加帶寬或改變調(diào)制階數(shù)——比如從16QAM變成 64QAM系統(tǒng)。

　　采用OFDM調(diào)制的無線信號本質(zhì)上是由一系列相互正交的子載波構(gòu)成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個調(diào)制后的子載波處于最大功率時，其臨近調(diào)制后子載波正好處于過零點或功率最小處，而一些子載波作為保護頻帶來實現(xiàn)隔離并防止臨近信道干擾。為了增強魯棒性，許多通信標準采用的 OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號分量隨時間衰減，這樣這些信號就不會對下一個接收機收到的傳輸符號產(chǎn)生干擾。

　　通過采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進行數(shù)字信號處理，可將其結(jié)合到一個信號流里面?zhèn)鬏敳⒖苫謴驮盘?。因為保留多流信號的相對相位和頻率關(guān)系，這些信號流就可以并行的在單一信道傳輸，所以就可以實現(xiàn)在不增加帶寬的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量。

　　與SISO通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)（圖1b）同時采用多無線信號和多天線，多個數(shù)據(jù)流在同一通信信道傳輸。這些多路的數(shù)據(jù)流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進行協(xié)調(diào)。MIMO系統(tǒng)不需要天線的對稱排列，例如，兩個發(fā)射要配備兩個接收（2×2）或者四個發(fā)射要配備四個接收（4×4），可以進行“不平衡”配置，例如四個發(fā)射配備三個接收的4×3配置。

　　要增加SISO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，需要更為復雜的調(diào)制方式，或者增加帶寬，或進行兩者的結(jié)合。加倍SISO系統(tǒng)吞吐量最簡單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統(tǒng)的吞吐量，發(fā)射器、接收器和相應天線的數(shù)量需要增加。通過采用多天線和信號傳播路徑的空間多路技術(shù)，MIMO系統(tǒng)可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。

　　MIMO系統(tǒng)利用接收信號的變更來增加數(shù)據(jù)吞吐量，接收到的信號被看作未知信號（發(fā)送的符號）的聯(lián)立方程。多路信號路徑的多樣性變化讓這些聯(lián)立方程解決的更加簡單，并提升了吞吐量。

　　SISO的信道容量與MIMO系統(tǒng)相比如何呢？香農(nóng)定律指明了SISO通信系統(tǒng)的信道吞吐量為

　　C=BLog2(1+S/N)

　　式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）。當該公式用于MIMO應用時：

　　C=ABlog2(1+S/N)

　　式中：A為發(fā)射天線的數(shù)量。

　　該等式指出了MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線數(shù)量與信道容量的直接關(guān)系。一個MIMO系統(tǒng)在同一物理信道上利用空間復用技術(shù)用多天線傳輸多路數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流在不改變符號速率的情況下在多個發(fā)射機上進行發(fā)送。通過增加更多的發(fā)射機和發(fā)射天線，系統(tǒng)的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。