無線信道仿真技術(shù)應(yīng)對(duì)MIMO新挑戰(zhàn)

摘要：隨著無線技術(shù)的發(fā)展，通信容量和多路通信逐漸對(duì)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(shù)在無線標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的最新進(jìn)展。
關(guān)鍵詞：無線信道仿真；MIMO；智能天線；EB

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

智能天線與無線信道仿真

　　智能天線原名自適應(yīng)天線陣列(AAA，AdaptiveAntennaArray)。最初的智能天線技術(shù)主要用于雷達(dá)、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(dòng)無線信道的空間特征，智能天線系統(tǒng)中的信號(hào)都進(jìn)行了自適應(yīng)處理。根據(jù)信號(hào)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(shù)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(jié)構(gòu)如圖1。其中MIMO技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wù)的可靠性?，F(xiàn)在，MIMO技術(shù)已經(jīng)被3GPP的高速下行分組接入技術(shù)（HSDPA）、無線局域網(wǎng)（WLAN）IEEE802.11和無線城域網(wǎng)（WMAN）IEEE802.16標(biāo)準(zhǔn)所采用。

圖1 智能天線結(jié)構(gòu)示意圖

　　TD-SCDMA作為中國自主開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，給了中國無線產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)一個(gè)成長壯大，追趕西方技術(shù)潮流的機(jī)遇，而標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和商用，離不開出色的測試技術(shù)保障。MIMO技術(shù)的盛行，對(duì)無線測試提出了新的挑戰(zhàn)，安捷倫中國通信產(chǎn)品中心市場經(jīng)理Mario Narduzzi談到，B3G時(shí)代無線網(wǎng)絡(luò)測試需要面對(duì)的是智能天線為主的多天線技術(shù)，對(duì)抗多徑問題的同時(shí)需要提高信號(hào)吞吐量，特別是MIMO需要對(duì)真實(shí)信道的場景進(jìn)行測試，這其中的難點(diǎn)就在于模擬MIMO測試的場景真實(shí)性，同時(shí)MIMO信號(hào)的配置也非常重要。要模擬測試場景的真實(shí)性，必然需要高可靠性的無線信道仿真技術(shù)。

　　現(xiàn)有和未來的無線通信系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)率，高可靠性，高度穩(wěn)定的服務(wù)質(zhì)量，高頻譜效率和高速移動(dòng)性。充分理解無線信道并考慮其特性已經(jīng)成為無線產(chǎn)品設(shè)計(jì)中至關(guān)緊要的因素。無線系統(tǒng)和產(chǎn)品研發(fā)工程師都知道一旦工作與無線信道有關(guān)就會(huì)變得麻煩起來，因?yàn)樾诺啦⒉辉趯?shí)驗(yàn)室中，而且隨時(shí)間、地點(diǎn)和地理?xiàng)l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(shí)驗(yàn)室中，使他們能夠考慮多徑衰落，信道相關(guān)性，噪聲與干擾等因素帶來的影響。因此如今的產(chǎn)品性能測試、一致性測試和同類產(chǎn)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(fù)雜的技術(shù)綜合。

　　無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛，信道仿真技術(shù)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(shè)備的性能。信道仿真儀結(jié)合了多種技術(shù)，如高性能DSP，高質(zhì)量的RF設(shè)計(jì)，大量的嵌入式軟件和友好的人機(jī)交互界面等等，其復(fù)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(biāo)準(zhǔn)都需要指定一個(gè)信道模型作為性能評(píng)估和比較的基礎(chǔ)，而該模型必須充分體現(xiàn)出目標(biāo)應(yīng)用信道的各種特性。由于MIMO技術(shù)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(shè)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(guān)的。在仿真中通常利用3GPP中的TU信道來模擬MIMO信道，各個(gè)TU信道是獨(dú)立產(chǎn)生，相互之間獨(dú)立，即相關(guān)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(guān)性逐漸增強(qiáng)，MIMO信道的容量將急劇下降。當(dāng)信道存在相關(guān)性時(shí)，早期部分將MIMO技術(shù)研究成果應(yīng)用于無線通信系統(tǒng)中時(shí)，性能將急劇降低甚至于不能正常工作，而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中具有相關(guān)性或相關(guān)性強(qiáng)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(shí)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(shè)計(jì)的，它是基于散射隨機(jī)假設(shè)建立的信道模型，基本原理是利用通過統(tǒng)計(jì)得到的信道特性，如時(shí)延擴(kuò)展、角度擴(kuò)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(guān)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(shí)現(xiàn)方法從原來的基于幾何統(tǒng)計(jì)法簡化成為相關(guān)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(kuò)展。擴(kuò)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(kuò)展是因?yàn)樵贗MT-Advanced系統(tǒng)中帶寬擴(kuò)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(yīng)用領(lǐng)域則有兩種不同的建模方式。一種方式是應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)的一致性測試中，采用定義MIMO信道間相關(guān)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(dá)到“端到端”，OTA（Over the Air）和網(wǎng)絡(luò)級(jí)測試將成為未來仿真儀應(yīng)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(wǎng)絡(luò)級(jí)測試會(huì)成為主流。網(wǎng)絡(luò)級(jí)測試是指在實(shí)驗(yàn)室中鏈接真正的基站和終端來測試全網(wǎng)性能。這樣對(duì)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(shí)存在。

　　2. OTA測試是終端測試領(lǐng)域的另一個(gè)增長點(diǎn)。傳統(tǒng)測試是通過電纜連接終端天線的傳導(dǎo)性測試，而OTA測試中經(jīng)過衰落的測試信號(hào)在暗室中向終端輻射。傳導(dǎo)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(duì)終端性能影響顯著，但在傳導(dǎo)測試中因無法測試，使終端性能結(jié)果準(zhǔn)確性受到影響。
　　
解決方案

　　精確的，可重復(fù)性的，節(jié)省成本的和易于控制的實(shí)驗(yàn)室測試要求越來越接近真實(shí)的空中接口環(huán)境，因此需要更真實(shí)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(gè)全新信道仿真平臺(tái)，用以實(shí)現(xiàn)WiMAX、LTE和4G通信系統(tǒng)的測試?；谶@個(gè)嶄新的平臺(tái)，伊萊比特同時(shí)推出第一款新產(chǎn)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(tái)Propsim F8可支持雙向4x4 MIMO仿真，共有32個(gè)衰落通道，也可以在單臺(tái)F8中配置多個(gè)MIMO系統(tǒng)，例如可以模擬1個(gè)雙天線的移動(dòng)終端與2個(gè)雙天線基站之間的切換通信，每個(gè)鏈接都可以配置為上下行雙向的2x2 MIMO連接，通過多臺(tái)級(jí)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(hào)帶寬。從EVM這一描述RF性能的典型指標(biāo)來看，其EVM小于-50dB。

圖2  EB Propsim F8

　　在新仿真平臺(tái)的開發(fā)過程中多天線應(yīng)用是測試著重考慮的課題之一，EB進(jìn)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(jìn)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(guān)鍵指標(biāo)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(yīng)用中對(duì)無線信道建模也有特殊需求，典型測試?yán)行枰x信號(hào)從各個(gè)特定的角度到達(dá)。實(shí)際應(yīng)用中用戶也是在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)移動(dòng)的，對(duì)于基站來說必須持續(xù)地估計(jì)用戶在網(wǎng)絡(luò)中的方向并對(duì)基站控制軟件作必要地調(diào)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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