無線信道仿真技術應對MIMO新挑戰(zhàn)

摘要：隨著無線技術的發(fā)展，通信容量和多路通信逐漸對無線信道的性能提出更高的要求，在這樣的情況下，無線信道仿真技術在無線標準開發(fā)中扮演了越來越重要的角色，本文探討了無線信道仿真技術的最新進展。
關鍵詞：無線信道仿真；MIMO；智能天線；EB

　　無線技術的發(fā)展，在快速提升傳輸能力的同時，頻譜利用率也在不斷增加。新一代移動通信（B3G/4G，）將可以提供高達100Mbit/s甚至更高的數(shù)據傳輸速率，在有限的頻譜上實現(xiàn)通信的高速率、大容量和高質量，這對無線技術開發(fā)提出了更多的要求，智能天線技術獲得了廣泛的應用。

智能天線與無線信道仿真

　　智能天線原名自適應天線陣列(AAA，AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天線技術主要用于雷達、抗干擾通信、定位及軍事通信方面等，完成空間濾波和定位功能。智能天線系統(tǒng)在無線鏈路的發(fā)射端和/或接收端帶有多根天線，為了利用移動無線信道的空間特征，智能天線系統(tǒng)中的信號都進行了自適應處理。根據信號處理是位于通信鏈路的發(fā)射端還是接收端，智能天線技術被定義為多入單出(MISO，MultipleInputSingleOutput)、單入多出(SIMO，Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO，Multiple Input Multiple Output)，具體結構如圖1。其中MIMO技術充分開發(fā)了無線信道的空間特性，利用空間維數(shù)可以增加無線網絡的容量，可以在不增加頻譜資源和發(fā)射功率的情況下，大幅度地提高頻帶利用率、系統(tǒng)容量和業(yè)務的可靠性?，F(xiàn)在，MIMO技術已經被3GPP的高速下行分組接入技術（HSDPA）、無線局域網（WLAN）IEEE802.11和無線城域網（WMAN）IEEE802.16標準所采用。

圖1 智能天線結構示意圖

　　TD-SCDMA作為中國自主開發(fā)的標準，給了中國無線產業(yè)鏈企業(yè)一個成長壯大，追趕西方技術潮流的機遇，而標準的開發(fā)和商用，離不開出色的測試技術保障。MIMO技術的盛行，對無線測試提出了新的挑戰(zhàn)，安捷倫中國通信產品中心市場經理Mario Narduzzi談到，B3G時代無線網絡測試需要面對的是智能天線為主的多天線技術，對抗多徑問題的同時需要提高信號吞吐量，特別是MIMO需要對真實信道的場景進行測試，這其中的難點就在于模擬MIMO測試的場景真實性，同時MIMO信號的配置也非常重要。要模擬測試場景的真實性，必然需要高可靠性的無線信道仿真技術。

　　現(xiàn)有和未來的無線通信系統(tǒng)需要實現(xiàn)高數(shù)據率，高可靠性，高度穩(wěn)定的服務質量，高頻譜效率和高速移動性。充分理解無線信道并考慮其特性已經成為無線產品設計中至關緊要的因素。無線系統(tǒng)和產品研發(fā)工程師都知道一旦工作與無線信道有關就會變得麻煩起來，因為信道并不在實驗室中，而且隨時間、地點和地理條件變化。信道仿真儀把無各類無線信道環(huán)境帶到工程師的實驗室中，使他們能夠考慮多徑衰落，信道相關性，噪聲與干擾等因素帶來的影響。因此如今的產品性能測試、一致性測試和同類產品比較測試都需要考慮無線信道的影響，信道仿真儀市場正在不斷增長，而且其增長率高于測試與測量市場的平均值。這反映了無線通信系統(tǒng)的趨勢是越來越復雜的技術綜合。

　　無線通信技術發(fā)展迅猛，信道仿真技術必須發(fā)展得更快。一般說來，信道仿真儀屬于測試測量范疇，其性能必須大大優(yōu)于被測設備的性能。信道仿真儀結合了多種技術，如高性能DSP，高質量的RF設計，大量的嵌入式軟件和友好的人機交互界面等等，其復雜程度極高。

MIMO信道模型的發(fā)展

　　任何無線通信系統(tǒng)的標準都需要指定一個信道模型作為性能評估和比較的基礎，而該模型必須充分體現(xiàn)出目標應用信道的各種特性。由于MIMO技術優(yōu)勢是建立在空間特性的利用上，所以MIMO的信道模型必須充分模擬信道的各種空間特性。

　　在早期MIMO信道模型研究中，為簡化分析，通常假設天線陣列周圍存在大量散射物，且天線元間距大于半波長，不同天線的信道衰落是不相關的。在仿真中通常利用3GPP中的TU信道來模擬MIMO信道，各個TU信道是獨立產生，相互之間獨立，即相關系數(shù)為零。

　　隨著MIMO信道研究的發(fā)展和趨于成熟，人們發(fā)現(xiàn)隨著MIMO信道相關性逐漸增強，MIMO信道的容量將急劇下降。當信道存在相關性時，早期部分將MIMO技術研究成果應用于無線通信系統(tǒng)中時，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現(xiàn)實環(huán)境中具有相關性或相關性強的MIMO信道環(huán)境又大量存在，所以在MIMO信道的研究中要考慮建立接近實際信道環(huán)境的MIMO信道模型。下面簡要介紹在3G以及B3G/4G系統(tǒng)中采用的MIMO信道模型。

　　3GPP在TR25.996中提出的SCM信道模型是為載頻2GHz、帶寬5MHz系統(tǒng)設計的，它是基于散射隨機假設建立的信道模型，基本原理是利用通過統(tǒng)計得到的信道特性，如時延擴展、角度擴展等來得到信道系數(shù)并通過在公式中引入天線間距得到信道之間的相關性。主要定義了3種場景，即市郊宏小區(qū)、市區(qū)宏小區(qū)和市區(qū)微小區(qū)。在3GPP LTE中采用的也是這種SCM信道模型，只不過實現(xiàn)方法從原來的基于幾何統(tǒng)計法簡化成為相關矩陣法。

　　在未來B3G/4G系統(tǒng)中所采用的SCME信道模型是SCM信道模型的擴展。擴展保持簡便性和向后兼容性，即SCME信道模型要能夠向后兼容SCM，這樣就保持了模型的一致性和可比性。信道擴展是因為在IMT-Advanced系統(tǒng)中帶寬擴大到20～100MHz，所需要的抽樣頻率也大大提高，每條鏈路能分辨的延遲數(shù)目也隨之增大，SCM模型6條延遲路徑不再滿足系統(tǒng)的需要。

　　在MIMO應用領域則有兩種不同的建模方式。一種方式是應用于標準的一致性測試中，采用定義MIMO信道間相關性的方式。另一種方式則是基于幾何信息來創(chuàng)建MIMO模型。測試解決方案則要求達到“端到端”，OTA（Over the Air）和網絡級測試將成為未來仿真儀應用發(fā)展的主要方向：

　　1. 雖然單鏈路的測試需求很常見，但是我們相信未來網絡級測試會成為主流。網絡級測試是指在實驗室中鏈接真正的基站和終端來測試全網性能。這樣對信道仿真儀的挑戰(zhàn)就是大量的基站與終端間的鏈接同時存在。

　　2. OTA測試是終端測試領域的另一個增長點。傳統(tǒng)測試是通過電纜連接終端天線的傳導性測試，而OTA測試中經過衰落的測試信號在暗室中向終端輻射。傳導性測試中天線特性完全被忽略，而在LTE和HSPA中的多天線方案使終端天線占有重要位置，天線對終端性能影響顯著，但在傳導測試中因無法測試，使終端性能結果準確性受到影響。
　　
解決方案

　　精確的，可重復性的，節(jié)省成本的和易于控制的實驗室測試要求越來越接近真實的空中接口環(huán)境，因此需要更真實的信道和無線環(huán)境仿真。多天線和MIMO系統(tǒng)仿真中到底需要什么樣子的無線信道仿真儀？

　　來自芬蘭的伊萊比特（Elektrobit，EB）公司日前推出一個全新信道仿真平臺，用以實現(xiàn)WiMAX、LTE和4G通信系統(tǒng)的測試?；谶@個嶄新的平臺，伊萊比特同時推出第一款新產品EB Propsim F8，通過為現(xiàn)有及未來無線通信系統(tǒng)提供完全的信道仿真，將信道仿真性能推向更高境界。單臺Propsim F8可支持雙向4x4 MIMO仿真，共有32個衰落通道，也可以在單臺F8中配置多個MIMO系統(tǒng)，例如可以模擬1個雙天線的移動終端與2個雙天線基站之間的切換通信，每個鏈接都可以配置為上下行雙向的2x2 MIMO連接，通過多臺級聯(lián)能夠使仿真信道數(shù)目倍增，是OTA測試的重要組成部分。EB Propsim F8擁有出色RF性能，頻率范圍350 ~ 6000MHz，支持125MHz的信號帶寬。從EVM這一描述RF性能的典型指標來看，其EVM小于-50dB。

圖2  EB Propsim F8

　　在新仿真平臺的開發(fā)過程中多天線應用是測試著重考慮的課題之一，EB進行了良好解決。仿真儀要滿足多天線測試必須具有足夠多的衰落通道，良好的RF相位穩(wěn)定度，高性能DSP和先進的信道建模軟件工具。在波束賦形測試中相位穩(wěn)定度更是關鍵指標之一，這是由于波束賦形的原理正是建立在基站端的相位控制上。波束賦形應用中對無線信道建模也有特殊需求，典型測試例中需要定義信號從各個特定的角度到達。實際應用中用戶也是在網絡內移動的，對于基站來說必須持續(xù)地估計用戶在網絡中的方向并對基站控制軟件作必要地調節(jié)。EB Propsim F8提供了波束賦形測試中的所有必備因素。

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