3G MIMO技术的实现挑战与解决方案
发布时间：2009-6-2 15:01
发布者：贾延安
本文讨论多路输入多路输出（MIMO）技术在先进3G(HSPA++、LTE和IMT-advanced)移动应用中的实现挑战与解决方案。借助增强的频谱效率，MIMO能够保证实现更高的数据速率，并通过将电子信息嵌入到空间处理单元来提高无线系统的性能。空间处理包括在发射机上进行空间预编码和在接收机上进行空间后编码，从信息信号处理理论角度讲，它们彼此之间进行的是双重处理。MIMO 技术与OFDM（正交频分多路复用）相结合可以充分利用无线信道空间分集和多径的特征，实现先进的 3G 宽带无线通信和高频谱利用率。   在一个密集的多径散射环境中，MIMO 系统可充分利用通过空间分隔的天线获得空间分集。MIMO系统能够通过许多不同方法来实施，以获得抵抗信号衰落的分集增益或者容量增益。通常，MIMO技术具有三种类型。第一类旨在通过最大化空间分集提高功率效率。此类技术包括延迟分集、空时分组编码（STBC）和空时网格码（STTC）。第二类利用丰富的散射环境中的空间复用，通过天线传输相互独立的数据信号，以提高数据速率，但通常不能够达到完整的空间分集。第三类利用的是发射机的信道信息，又称为波束赋形。它利用信道信息建立波束赋形矩阵，作为发射机和接收机的前置滤波器和后置滤波器的，以实现容量增益。 空间分集 无线信道中信号功率的波动非常快速。信号功率显著下降时，信道处于衰落状态。分集用于在无线信道中抵抗衰落。接收天线分集可在 SIMO通道中使用。接收天线接收同一信号独立的衰落状态，并与这些信号相结合，使得合成信号的幅度变化小于任一天线的信号。通常使用独立衰落信道数来描述分集的特征，这一数目也称为“分集阶数”，并且如果同一发射天线针对所有接收天线的信道具有独立的衰落特性，则分集与 SIMO信道中接收天线的数量相等。发射分集适用于 MISO信道并且已经成为备受关注的研究领域。提取分集需要适当的设计发射信号。在接收机上使用合适的组合方案，以获得分集增益。如果所有发射天线到同一接收天线的信道具有独立的衰落特性，则该信道的分集与发射天线的数量相等。  空间复用 空间复用可以为相同带宽的信号提供线性增长的传输速率，而且不会造成额外的功率损耗。  波束赋形 在空间分集和空间复用中，通常认为发射机不了解信道信息。当发射机具备信道信息时，可改善系统性能。信道信息可以是完整的也可以是部分的。完整的信道信息意味着发射机已知信道矩阵。部分信息可能指的是瞬时信道的某些参数（例如矩阵信道的条件数）或统计特性（例如发射或接收的相关特性）。图 4显示了使用信道信息的预编码框架。发射信号（S0，S1）与预编码相乘，这可以解释为波束赋形。经过预编码之后，两个分离的数据流可从两个发射天线同时发送，作为空间复用，但是矩阵编码器将根据信道信息发生变化。假设发射机已经知道发射相关矩阵，则可以使用相关矩阵的特征矩阵建立预编码矩阵，以优化遍历容量。将 2 X 2 预编码矩阵表示为 W，则符码周期 t1 内的发射符码为：   对于无线通信系统来说，信道是关键因素，它决定系统的性能。例如，通过损耗和衰落可导致信号幅度衰减，多径可导致符码间干扰。虽然 MIMO开辟了一个新维度空间可以极大地提高性能，但是分集或容量增益是否能够真正实现依赖于信道特性。在 STBC应用中，是否能够达到分集增益取决于信道分集阶数。只有当每个发射接收天线对之间具有独立衰落通道时，信道分集阶数才等于发射和接收天线的数量。这意味着如果发射接收天线对之间的信道具有高相关特性，则可以获得的分集增益将非常有限。空间复用应用还要求信道独立特性。只有在最佳信道条件下，不同的空间信号流才能够被很好地分离，这就是说发射接收天线对之间的信道具有低相关特性。 MIMO 性能测试中的挑战 随着 MIMO系统发射机/接收机单元的增加，产品设计和开发的复杂程度也在迅速增加，这也给 MIMO 性能测试带来了挑战。如上所述，MIMO的性能取决于信道，为了研究不同信道条件下的接收机性能，必须使用 MIMO信道。在早期设计和验证周期内，直接在真实的无线信道环境中进行测试并不是一种有效方法。这非常耗时，由于信道敏感和多变，重复生成研究问题是非常困难的。使用软件生成信道系数是另一种选择，但也并非理想方法。因为发射信号的系数生成和卷积运算过程是极为耗时和占用资源的，所以只使用软件来仿真信道行为在实时测试中是不可行的。另外，信道模型变得越来越复杂，不同的通信标准要求使用不同的信道模型和测试环境。重复生成所有这些信道模型和测试环境将加重设计工程师的负担，而且耗时的测试将减缓故障诊断过程和开发周期。因此，专业的 MIMO 信道仿真器是这些工程师加快工作进程的关键工具。 MIMO信道仿真器使用功能强大的数字信号处理技术可以重复生成设定的、真实的信道环境，这使工程师能够在早期部署和设计验证阶段隔离性能问题，并为元器件或系统的全面故障诊断提供最快速的方法。目前的 SISO 信道仿真器无法有效地解决 MIMO性能测试问题。首先，每台接收机需要对不同发射机的信号流进行求和运算；第二，多级并联 SISO 信道仿真器无法仿真不同信道的相关特性，而这是MIMO 信道的一个重要特点；第三，满足所需的信道数量要求对于 SISO 信道仿真器来说是一个巨大的挑战。 可仿真真实MIMO 信道的专业仪器为应对这些复杂的测试条件提供了最佳解决方案。信道仿真器（例如 N5106A PXB MIMO接收机测试仪）使用功能强大的数字处理技术可以重复生成真实的 MIMO条件，从而能够在设计、部署和验证周期早期快速隔离性能问题。信道仿真器还具有一个优势，它可以生成真实的衰落环境，包括路径和信道相关性，具有更低的实施成本和更快的校准流程。 图 5. Agilent N5106A MIMO 接收机测试仪可提供多达 4个基带发生器和 8 个衰落器，这有助于对高达 4x2 MIMO 的系统进行测试和故障诊断。Agilent Signal Studio信号生成软件在该测试仪上运行，并为工程师提供最新的标准一致性信号生成功能。   本文概述了先进的3G无线通信系统中的 MIMO 技术，介绍了空间分集、空间复用和波束赋形的基本概念以及它们对 MIMO性能的影响。在用于丰富的多径环境时，MIMO 技术具有提高信号的强健性和扩充容量的潜力。开发和测试 MIMO元器件和系统要求使用能够轻松配置的先进信道仿真工具，并为真实的无线信道和条件提供精确表征。本文还与读者分享了如何使用市场上有售的仪器（例如Agilent N5106A PXB MIMO 接收机测试仪）来仿真这些复杂信道。 |
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