基于 WiMAX Wave2的雙信道MIMO測(cè)量

　　WiMAX Wave 2規(guī)范目前支持使用多個(gè)天線，以同時(shí)改善下行鏈路和上行鏈路的系統(tǒng)性能。與傳統(tǒng)的單路輸入單路輸出（SISO）實(shí)施方案相比，多路輸入多路輸出（MIMO）配置的系統(tǒng)具有更高的頻譜使用效率，因此數(shù)據(jù)速率更高。對(duì)這些高級(jí) WiMAX 系統(tǒng)進(jìn)行表征和故障診斷，通常需要使用具有信道估算功能的雙信道信號(hào)分析儀、“矩陣解碼器”和OFDM解調(diào)器。

　　矩陣A和矩陣B配置

　　在 WiMAX Wave 2系統(tǒng)下行鏈路發(fā)射端工作的多天線實(shí)施有空時(shí)編碼（STC）—矩陣A和MIMO—矩陣B兩種方案。圖1為2x1 STC 和2x2 MIMO的典型下行鏈路配置。

　　在矩陣A（STC）實(shí)施中，信道可以建模成兩條路徑，這兩條路徑將基站（BS）的兩個(gè)發(fā)射天線連接到移動(dòng)站（MS）上的一個(gè)接收天線。每條信號(hào)路徑都可用一個(gè)唯一的信道系數(shù)“hx”來(lái)表示。每個(gè)系數(shù)代表各個(gè)發(fā)射－接收天線對(duì)之間所有路徑的（假設(shè)為線性）集合，還可能包括在發(fā)射機(jī)中產(chǎn)生的信道間串?dāng)_以及在無(wú)線信道中出現(xiàn)的無(wú)數(shù)個(gè)多路徑信號(hào)。另外使用每個(gè)天線在不同時(shí)刻、以同一頻率發(fā)射同一信號(hào)的不同編碼版本，可以改善信號(hào)接收質(zhì)量。這種技術(shù)就是空間分集技術(shù)，矩陣 A 配置實(shí)施的就是這種技術(shù)。

　　 與之不同，矩陣B（MIMO）系統(tǒng)使用每個(gè)天線同時(shí)在同一頻率信道上發(fā)射不同的數(shù)據(jù)流，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率和頻譜效率。圖1中所示的矩陣B配置，在無(wú)噪聲系統(tǒng)中測(cè)得的接收信號(hào)為：

　　假設(shè)四個(gè)信道系數(shù)已知，矩陣B接收機(jī)就能使用下面的簡(jiǎn)化方法來(lái)辨別并恢復(fù)發(fā)射的波形。

　　這些方程也可用矩陣形式來(lái)表示：

　　矩陣解碼器的功能就是執(zhí)行信道矩陣[H]的求逆運(yùn)算和相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，從而將最初發(fā)射的數(shù)據(jù)流進(jìn)行恢復(fù)并將這些信息傳輸?shù)浇庹{(diào)器。注意，矩陣解碼與解調(diào)是相互獨(dú)立的，矩陣解碼要先于解調(diào)之前完成。

　　當(dāng)信道系數(shù)之間存在關(guān)聯(lián)時(shí)，實(shí)際的WiMAX 接收機(jī)可以使用其固有的分解或MMSE技術(shù)[參考文獻(xiàn)1]來(lái)進(jìn)行真實(shí)的數(shù)據(jù)恢復(fù)。如上所述，數(shù)據(jù)恢復(fù)需要知道信道系數(shù)，信道系數(shù)的值可由接收機(jī)或雙信道信號(hào)分析儀使用WiMAX OFDM 波形[參考文獻(xiàn)2]中包含的獨(dú)一無(wú)二的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)出。精確的矩陣解碼取決于信道系數(shù)的獨(dú)立程度，并且它還會(huì)進(jìn)一步受到信道中噪聲數(shù)量的影響，這一點(diǎn)非常重要。當(dāng)信道矩陣變成“病態(tài)矩陣”并且很難進(jìn)行精確的倒數(shù)運(yùn)算時(shí)，相關(guān)的信道系數(shù)和/或噪聲便會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能降低。

　　在上行鏈路中，MIMO可通過(guò)在同一頻率信道上工作的兩個(gè)獨(dú)立移動(dòng)站（手機(jī)）之間協(xié)調(diào)一致的同步傳輸來(lái)實(shí)施。這種技術(shù)稱(chēng)為上行鏈路協(xié)同空間多路復(fù)用（UL-CSM）技術(shù)，為了實(shí)施 2x2 MIMO，該技術(shù)在基站上使用了兩個(gè)或更多的接收天線，并在每個(gè)移動(dòng)站上使用一個(gè)天線 [參考文獻(xiàn)2]。在這種配置中，MIMO的實(shí)施僅限于上行鏈路。DL-MIMO要求每個(gè)移動(dòng)站有兩個(gè)天線和接收機(jī)信道。

　　信道估算、矩陣解碼和解調(diào)

　　矩陣A波形和矩陣B波形的信號(hào)分析和故障診斷可使用單路輸入或多路輸入的矢量信號(hào)分析儀（VSA）來(lái)完成。許多基本測(cè)量，例如STC或MIMO發(fā)射機(jī)中的信道間串?dāng)_和定時(shí)，都可通過(guò)將單路輸入分析儀直接連接到選定的發(fā)射機(jī)輸出端口來(lái)完成[參考文獻(xiàn)3]。當(dāng)發(fā)射信號(hào)具有良好的隔離度時(shí)，這種單路輸入的方法非常有用，此時(shí)無(wú)需使用矩陣解碼器對(duì)波形進(jìn)行解調(diào)。某些測(cè)試程序，如WiMAX Wave 2 配置文件中定義的射頻一致性測(cè)試（RCT），規(guī)定了在可能出現(xiàn)串?dāng)_以及不使用矩陣解碼器的情況下，對(duì)發(fā)射機(jī)信號(hào)質(zhì)量的單信道測(cè)量。遺憾的是，在系統(tǒng)優(yōu)化和故障診斷過(guò)程中，這種基本測(cè)量對(duì)于分析眾多信號(hào)誤差的根本原因幾乎沒(méi)有什么作用。在這種情況下，要想找出誤差的根源，常常需要將使用與不使用矩陣解碼器進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較。在矩陣A系統(tǒng)中，可使用單信道VSA對(duì)使用和不使用解碼器兩種情況進(jìn)行測(cè)試。在矩陣B 和UL-CSM系統(tǒng)中，一般需要使用雙信道VSA來(lái)對(duì)這些日益復(fù)雜的波形進(jìn)行全面分析。

　　圖2所示是一個(gè)典型的具有WiMAX MIMO測(cè)量功能的雙信道VS（如帶有選件B7Y的Agilent 89600系列分析儀）的測(cè)量流程。在矩陣B配置中，MIMO信號(hào)分析從估算復(fù)雜的信道系數(shù)開(kāi)始，這些系數(shù)可通過(guò)對(duì)在兩個(gè)輸入信號(hào)接收到的大量已知導(dǎo)頻子載波進(jìn)行測(cè)量而得到，如圖中的 Rx0和Rx1所示。這四個(gè)信道系數(shù)將作為子載波頻率的函數(shù)來(lái)顯示，在對(duì)MIMO系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和故障診斷時(shí)，這些系數(shù)是一個(gè)非常有用的分析工具。估算出來(lái)的信道系數(shù)主要被矩陣解碼器用來(lái)恢復(fù)2x2 MIMO信號(hào)中的兩個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。矩陣解碼器的作用是抵消信道效應(yīng)，而不是執(zhí)行數(shù)據(jù)解調(diào)。如圖2所示，矩陣B數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)恢復(fù)之后，然后傳輸?shù)絆FDM解調(diào)器進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)分析。

　　如上所述，當(dāng)直接連接到發(fā)射機(jī)端口時(shí)，基本解調(diào)無(wú)需使用矩陣解碼器。此外，圖2還顯示了兩條繞開(kāi)矩陣解碼器的測(cè)量路徑。在這個(gè)配置中，信道特征是利用前導(dǎo)碼、導(dǎo)頻和/或相關(guān)的數(shù)據(jù)子載波中包含的信息來(lái)估算出來(lái)的。這些信道響應(yīng)可能會(huì)包含發(fā)射機(jī)和信道串?dāng)_，并且這些響應(yīng)可能會(huì)和在嵌入式MIMO導(dǎo)頻中提取出來(lái)的MIMO信道系數(shù)有所不同。作為解調(diào)過(guò)程的一部分，這些信道響應(yīng)可用來(lái)均衡波形（使波形的頻率響應(yīng)變平），對(duì)WiMAX波形的故障診斷非常有用。然而，這兩個(gè)測(cè)得的信道響應(yīng)卻無(wú)法包含足夠的信道信息來(lái)進(jìn)行矩陣解碼。

　　矩陣A使用VSA進(jìn)行信號(hào)分析的路徑和矩陣B配置相同，只是它需要一個(gè)單信道分析儀。表 1 為使用單路輸入解決方案和雙路輸入解決方案（如 Agilent 89600 系列VSA）來(lái)測(cè)試矩陣A和矩陣B波形的典型測(cè)量配置的簡(jiǎn)單列表。該表不但列出了矩陣解碼器對(duì)OFDM解調(diào)結(jié)果的影響，還顯示了當(dāng)選擇VSA上的均衡器和MIMO信道頻率響應(yīng)時(shí)所顯示的信道系數(shù)。

　　探索信號(hào)損耗情況

　　圖3是使用雙信道VSA測(cè)量一對(duì)仿真矩陣B波形得到的結(jié)果。在本例中，可以看到使用與不使用矩陣解碼器對(duì)發(fā)射機(jī)信道間巨大串?dāng)_的影響。左圖是一部分解調(diào)IQ星座圖，其中放大了一個(gè)導(dǎo)頻和一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)點(diǎn)以顯示細(xì)節(jié)。在矩陣解碼器關(guān)閉時(shí)，如左上圖所示，由于其他發(fā)射信道會(huì)以-29dB 的相對(duì)電平耦合進(jìn)這個(gè)測(cè)量中，因此數(shù)據(jù)星座圖中會(huì)有一個(gè)擴(kuò)頻。這種高度的串?dāng)_將會(huì)導(dǎo)致2.9%的相對(duì)星座圖誤差（RCE）。僅這種串?dāng)_誤差已經(jīng)足以使RCT達(dá)不到 WiMAX Wave 2波形的要求。本圖的右上角還顯示了相關(guān)的誤差矢量頻譜：OFDM誤差－子載波頻率關(guān)系圖。本測(cè)量圖是對(duì)系統(tǒng)中的定時(shí)誤差進(jìn)行故障診斷的絕佳工具，下一實(shí)例也將使用此圖。

　　
　　圖3下半部的圖形為啟用矩陣解碼器時(shí)的測(cè)量結(jié)果。矩陣解碼器可以使用四個(gè)（在2x2 MIMO中）信道估算來(lái)抵消串?dāng)_效應(yīng)。在矩陣解碼器抵消串?dāng)_之后，RCE得以改善到小于 0.05%，誤差矢量頻率和數(shù)據(jù)星座圖均可反應(yīng)出這種差異。注意，該導(dǎo)頻的星座圖點(diǎn)并不會(huì)受到串?dāng)_或矩陣解碼器的影響。導(dǎo)頻不會(huì)在時(shí)間和頻率上重疊，這樣導(dǎo)頻星座圖點(diǎn)就不會(huì)擴(kuò)散，導(dǎo)頻就能用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)發(fā)射信道之間的串?dāng)_電平。

　　盡管在RCT 試中沒(méi)有使用，但矩陣解碼器仍是一個(gè)出色的故障診斷工具，能夠測(cè)量并去除串?dāng)_（串?dāng)_可能掩蓋其他信號(hào)減損）。例如，圖 4 所示矩陣解碼器是如何抵消串?dāng)_以揭示系統(tǒng)中出現(xiàn)的符號(hào)定時(shí)誤差。此前，上圖為具有29dB串?dāng)_電平的信號(hào)的星座圖和誤差矢量頻譜。在沒(méi)有使用矩陣解碼器之前，誤差頻譜主要由串?dāng)_決定，這使其很難看到波形中的定時(shí)誤差。在啟用矩陣解碼器時(shí)，測(cè)量中的串?dāng)_得以抵消，并能輕松觀察到定時(shí)誤差。在右下端的測(cè)量中，誤差頻譜顯示出我們熟悉的“V”型，那是符號(hào)定時(shí)誤差的特征 [參考文獻(xiàn)4]。

　　信道頻率響應(yīng)測(cè)量

　　均衡器和MIMO信道響應(yīng)是表征矩陣A和矩陣B波形的另外兩個(gè)有用的診斷工具。這些響應(yīng)的幅度和形狀可在解調(diào)之前使用戶深入理解所接收波形的質(zhì)量。例如眾所周知，MIMO系統(tǒng)在路徑眾多的環(huán)境中工作時(shí)，信道系數(shù)之間的相關(guān)性較低，從而接收機(jī)一端能夠更好地還原數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)信道系數(shù)之間的相關(guān)性較高時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)迅速降低。圖5是兩個(gè)不同MIMO 信道測(cè)得信道系數(shù)的幅度，一個(gè)信道的系數(shù)相關(guān)性較高（左），另一個(gè)信道的系數(shù)相關(guān)性較低（右）。這兩個(gè)測(cè)量均啟用了矩陣解碼器。在高相關(guān)性實(shí)例中，這一對(duì)系數(shù)具有相同的復(fù)雜頻率響應(yīng)，系統(tǒng)性能可能會(huì)降低。如下圖中的插圖所示，測(cè)得的64-QAM星座圖顯示出高度的信號(hào)失真。作為對(duì)比，右上角的測(cè)量顯示的是具有較低相關(guān)性的測(cè)得信道系數(shù)。在本例中，這些系數(shù)具有不同的頻率響應(yīng)，從而導(dǎo)致了數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程的改進(jìn)，這一點(diǎn)如圖中右下角的測(cè)量星座圖所示。

條件數(shù)

　　另一個(gè)非常有效的故障診斷工具是“MIMO 條件數(shù)”，它是通過(guò)對(duì)信道矩陣[H]進(jìn)行特征值分解，獲得每個(gè)子載波的最大奇數(shù)值與最小奇數(shù)值之比計(jì)算出來(lái)的。它能夠測(cè)量接收機(jī)中不合格的矩陣是什么樣的。該比值常用對(duì)數(shù)標(biāo)尺來(lái)顯示，狀態(tài)良好的矩陣的奇數(shù)值的理想比值為1 dB或0dB。作為綜合指南，當(dāng)信號(hào)的條件數(shù)大于其信噪比時(shí)，矩陣解碼器將不能有效地區(qū)分信號(hào)，解調(diào)性能將會(huì)很差。這一點(diǎn)可在圖5中左下角的條件數(shù)響應(yīng)中輕松看出。在這種情況下，條件數(shù)會(huì)接近或大于20dB，而且解調(diào)后的星座圖將會(huì)很差。與之相比，右圖所示的條件數(shù)通常低于10dB，相關(guān)的星座圖也有顯著改善。

　　無(wú)論WiMAX Wave 2系統(tǒng)是使用矩陣A配置還是使用矩陣B配置，通過(guò)充分利用無(wú)線環(huán)境中的大量多路徑特性，都能極大地提升系統(tǒng)性能。在這些系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、故障診斷和優(yōu)化過(guò)程中，多種雙信道測(cè)量可為這些系統(tǒng)的操作和性能提供必要的深入分析。

參考文獻(xiàn)

[1] WiMAX System Evaluation Methodology，2.1 版，2008 年 7 月 7 日。
[2] 安捷倫在線研討會(huì)，“WiMAX Wave 2 Testing - MIMO STC”，2008 年 1 月 17 日。
[3] “Matrix A and B re-measured; Single channel measurements for WiMAX Wave 2 reduce the need for multi-channel analysis”，WiMAX 日?qǐng)?bào)，2008 年6 月 18 日。
[4] Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs，安捷倫應(yīng)用指南 1313，5968-3578E。