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相關(guān)專(zhuān)題：
由于MIMO抗衰減特性表現(xiàn)佳，MIMO技術(shù)可望以較高的頻譜效率提升數(shù)據(jù)傳輸率(data rate)。商用無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)是在具明顯多重路徑(multipath)環(huán)境下運(yùn)行，因此，MIMO天線(xiàn)系統(tǒng)正可因此現(xiàn)象，發(fā)揮系統(tǒng)最佳運(yùn)作效益…
盡管MIMO技術(shù)的特性對(duì)商業(yè)化應(yīng)用極具吸引力，但MIMO系統(tǒng)與傳統(tǒng)技術(shù)相較，卻相對(duì)復(fù)雜許多倍！在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)實(shí)作中，該MIMO技術(shù)會(huì)產(chǎn)生一些特殊測(cè)試與量測(cè)挑戰(zhàn)，其中1項(xiàng)挑戰(zhàn)在于無(wú)線(xiàn)信道與信道相關(guān)性效應(yīng)(如路徑損耗和多重路徑衰減)。
在無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)信道是決定系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素，唯有確保每個(gè)無(wú)線(xiàn)通道具明顯差異，才能在相同時(shí)間/頻率空間內(nèi)支持多個(gè)串流。因此，充分了解通道相關(guān)性效應(yīng)，對(duì)于MIMO效能的最佳化至為重要，要達(dá)到最佳化，則必須在真實(shí)環(huán)境與信道下準(zhǔn)確測(cè)試MIMO組件(例如接收器)和系統(tǒng)的方法。目前遇到的問(wèn)題是受限于通道靈敏度、行動(dòng)性需求…等因素，直接在「真實(shí)」無(wú)線(xiàn)環(huán)境中執(zhí)行這類(lèi)測(cè)試，是既無(wú)效、又不切實(shí)際的做法。為解決環(huán)境問(wèn)題，則必須針對(duì)此嚴(yán)苛的測(cè)試環(huán)境設(shè)計(jì)專(zhuān)用量測(cè)設(shè)備，因應(yīng)MIMO的通道效應(yīng)問(wèn)題。
MIMO通道相關(guān)性效應(yīng)
審視MIMO運(yùn)作方式及其發(fā)生作用的理由，才能更深入了解通道相關(guān)性效應(yīng)所產(chǎn)生的新挑戰(zhàn)。無(wú)線(xiàn)通訊系統(tǒng)中，MIMO多重天線(xiàn)系統(tǒng)會(huì)把各個(gè)天線(xiàn)放置在密集的多徑散射(multipath scattering)環(huán)境，以利用無(wú)線(xiàn)通道的空間特性。MIMO系統(tǒng)會(huì)使用多個(gè)收發(fā)器，以便產(chǎn)生多個(gè)可在接收器內(nèi)部恢復(fù)的獨(dú)立信號(hào)路徑。
MIMO中的「輸入」和「輸出」，是指存在于各個(gè)天線(xiàn)間的無(wú)線(xiàn)信道。當(dāng)多個(gè)發(fā)射器同時(shí)將信號(hào)輸入無(wú)線(xiàn)信道，而這些信號(hào)組合同時(shí)從無(wú)線(xiàn)信道輸出到多個(gè)接收器時(shí)，便可達(dá)到效能增益。
圖說(shuō)：1.圖中的彩色箭頭描述SISO、SIMO、MISO和MIMO (2x2)系統(tǒng)信道配置。
圖1是在無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中用來(lái)連接發(fā)射器與接收器的幾種基本配置，包括單一輸入單一輸出(SISO)、單一輸入多重輸出(SIMO)、多重輸入單一輸出(MISO)和多重輸入多重輸出(MIMO)。圖中的每個(gè)箭頭代表2個(gè)天線(xiàn)間的多個(gè)信號(hào)路徑(包括直接視線(xiàn)傳輸LOS路徑)，及由周遭環(huán)境的反射、散射和繞射造成的多徑信號(hào)。在2 x 2 MIMO配置中，每個(gè)發(fā)射器天線(xiàn)都有2個(gè)不同的發(fā)射通道，而每個(gè)接收器天線(xiàn)則有2個(gè)合并接收通道，還有許多其它MIMO配置，是使用多對(duì)天線(xiàn)組合，例如3 x 3和4 x 4。在配置MIMO系統(tǒng)時(shí)，甚至可在發(fā)射器與接收器使用不同數(shù)目天線(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)MIMO系統(tǒng)，可對(duì)抗信號(hào)衰減或提高系統(tǒng)容量。一般而言，多重天線(xiàn)可分為空間分集、空間多任務(wù)和波束成形…等3種技術(shù)。
以空間分集技術(shù) 達(dá)到抗衰減目的
空間分集(Spatial Diversity)技術(shù)可藉由減少重新傳輸次數(shù)，達(dá)到提高功率效率目的，主要采用延遲分集(delay diversity)、空時(shí)區(qū)塊碼(Space-Time Block Codes；STBC)和空時(shí)格碼(Space-Time Trellis Code；STTC)…等方法。
在多重路徑明顯的環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)信道中的信號(hào)功率會(huì)隨時(shí)間和距離快速地波動(dòng)，當(dāng)接收器的信號(hào)功率大幅下降時(shí)，通道就處于多徑衰減狀態(tài)，無(wú)線(xiàn)通道中通常會(huì)使用分集來(lái)對(duì)抗此衰減效應(yīng)。天線(xiàn)分集對(duì)抗衰減的方法，是將來(lái)自于2個(gè)或更多個(gè)獨(dú)立衰減的信道信號(hào)加以合并。以SIMO系統(tǒng)為例，當(dāng)接收器將來(lái)自不同天線(xiàn)的信號(hào)合并，使該信號(hào)的振幅變化比任1個(gè)天線(xiàn)信號(hào)振幅來(lái)得小時(shí)，接收天線(xiàn)分集便能改善系統(tǒng)效能。分集特性在于獨(dú)立衰減信道的數(shù)目，又稱(chēng)為分集階數(shù)(diversity order)，即等于SIMO系統(tǒng)中的接收天線(xiàn)數(shù)目，但如果衰減通道并非獨(dú)立，則天線(xiàn)分集可能無(wú)法改善系統(tǒng)效能。
從發(fā)射分集適用于MISO通道的角度觀(guān)察，如果從每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)到單1個(gè)接收天線(xiàn)的信道具有獨(dú)立衰減特性，則分集階數(shù)會(huì)等于發(fā)射天線(xiàn)數(shù)目。若發(fā)射器事先并不知道通道特性，則必須適當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)射信號(hào)，以使接收器達(dá)到分集增益。空時(shí)編碼(Space Time Coding；STC)是近來(lái)頗受矚目的1種發(fā)射分集技術(shù)，它會(huì)在不同時(shí)間將相同使用者數(shù)據(jù)傳送到2個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，以提高成功恢復(fù)所需數(shù)據(jù)的機(jī)率，此技術(shù)亦可對(duì)空間和時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行有效編碼。
圖2是使用Alamouti STC的1個(gè)簡(jiǎn)單的方塊圖。此系統(tǒng)中的2個(gè)天線(xiàn)會(huì)在任1個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，同時(shí)發(fā)射2個(gè)不同符號(hào)。
圖說(shuō)：2. Alamouti空時(shí)編碼(STC)方塊圖，其中h0和h1代表通道系數(shù)，S0, S1…代表序列中的符號(hào)，( )* 則代表共軛復(fù)數(shù)運(yùn)算。此系統(tǒng)中的2個(gè)天線(xiàn)會(huì)在任1個(gè)符號(hào)周期內(nèi)，同時(shí)發(fā)射2個(gè)不同符號(hào)。
STC分集技術(shù)無(wú)法提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率，只能改善信號(hào)質(zhì)量。圖2中的序列不僅采空間與時(shí)間編碼(空時(shí)編碼)，也可進(jìn)行空間域和頻域編碼。在此情況下，2個(gè)不同的天線(xiàn)并不會(huì)發(fā)射2個(gè)連續(xù)符號(hào)周期，而是會(huì)使用2個(gè)頻率載波(空間-頻率編碼)。
MIMO通道中的分集是上述發(fā)射與接收分集的組合。如果在每1對(duì)發(fā)射/接收天線(xiàn)間的信道具獨(dú)立衰減特性，則分集階數(shù)會(huì)等于發(fā)射與接收天線(xiàn)數(shù)目的乘積。
空間多任務(wù)技術(shù) 提升數(shù)據(jù)傳輸速度
空間多任務(wù)(Spatial Multiplexing)技術(shù)使用定義為MIMO的空間多任務(wù)，其特色是不同天線(xiàn)會(huì)同時(shí)發(fā)射各個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)流，以增加有效數(shù)據(jù)傳輸率�？臻g多任務(wù)使用與傳統(tǒng)SISO系統(tǒng)中相同的頻寬和功率，卻可以提高傳輸速率。理論上容量的增加會(huì)與加入MIMO系統(tǒng)中的發(fā)射/接收天線(xiàn)對(duì)數(shù)目呈線(xiàn)性相關(guān)。當(dāng)配置中的發(fā)射器與接收器天線(xiàn)數(shù)目不相等時(shí)，容量增加會(huì)與當(dāng)中較小的數(shù)目，M或N成比例關(guān)系。
空間多任務(wù)也可應(yīng)用于多使用者格式，亦即分空多任務(wù)存取(Space Division Multiple Access；SDMA)。若有2名行動(dòng)用戶(hù)透過(guò)相同無(wú)線(xiàn)信道發(fā)射他們個(gè)別的信號(hào)，這2個(gè)信號(hào)會(huì)傳送到配備2個(gè)天線(xiàn)的基地臺(tái)，并經(jīng)由空間多任務(wù)將它們區(qū)分開(kāi)來(lái)，容量增加會(huì)與基地臺(tái)的天線(xiàn)數(shù)目或行動(dòng)用戶(hù)數(shù)量(取其較小者)成比例關(guān)系，雖然用戶(hù)并未感受到容量增加，但服務(wù)提供者卻可以在相同空間為更多的用戶(hù)提供服務(wù)。這項(xiàng)技術(shù)已在WiMAX Wave 2標(biāo)準(zhǔn)中加以定義，稱(chēng)為「上行鏈路協(xié)同空間多任務(wù)」(Uplink Collaborative Spatial Multiplexing；UL-CSM)。
空間多任務(wù)只有在無(wú)線(xiàn)環(huán)境的多重路徑現(xiàn)象很明顯時(shí)，才能提高數(shù)據(jù)傳輸率，原因在于這類(lèi)環(huán)境會(huì)使通道間的相關(guān)性降低，以便能夠在接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，當(dāng)信道間有高度相關(guān)時(shí)，空間多任務(wù)的效能便會(huì)急劇下滑。
波束成形技術(shù) 達(dá)到容量增益
波束成形(Beamforming)技術(shù)必須利用發(fā)射器信道的背景知識(shí)，在傳統(tǒng)波束成形應(yīng)用中，每1個(gè)天線(xiàn)組件會(huì)在每1個(gè)信號(hào)路徑應(yīng)用復(fù)雜的權(quán)重(大小和相位)后，同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)(數(shù)據(jù)符號(hào))，以便使天線(xiàn)數(shù)組在無(wú)線(xiàn)鏈路上達(dá)到最佳的信號(hào)/噪聲比(SNR)。
在針對(duì)空間分集或空間多任務(wù)而最佳化的波束成形器(beamformer)中，每1個(gè)天線(xiàn)組件會(huì)同時(shí)發(fā)射2個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)的加權(quán)組合。此波束成形技術(shù)必須知道發(fā)射器通道特性，它會(huì)利用該項(xiàng)信息建立波束成形(預(yù)失真)矩陣，以作為發(fā)射器與接收器的前置和后置濾波器，從而達(dá)到容量增益目的。在此情況下，可能需要量測(cè)接收器的信道，并將信息傳回發(fā)射器。
妥善安排天線(xiàn)位置 減輕信道效應(yīng)
無(wú)線(xiàn)信道在MIMO系統(tǒng)實(shí)作上扮演著不可或缺的角色，因此，徹底了解可能對(duì)其造成負(fù)面影響的任何效應(yīng)便十分重要�？臻g分集和空間多任務(wù)可大幅提升系統(tǒng)效能，但前提是必須正確設(shè)定空間大小，以利用多徑環(huán)境的豐富特性。以空間分集來(lái)說(shuō)，使用STC可達(dá)到的分集增益主要取決于通道分集階數(shù)，在每1對(duì)發(fā)射-接收天線(xiàn)間的信道必須獨(dú)立衰減，使信道分集階數(shù)等于發(fā)射與接收天線(xiàn)數(shù)目的乘積。如果在發(fā)射/接收天線(xiàn)對(duì)間的信道具高度相關(guān)性，則可達(dá)到的分集增益將相對(duì)有限。
在空間多任務(wù)的MIMO應(yīng)用中，通道間相關(guān)性必須很低才行，不同的空間信號(hào)流只在適當(dāng)信道環(huán)境下才會(huì)清楚地區(qū)分，為讓各對(duì)天線(xiàn)間的信道達(dá)到較低的相關(guān)性，通常必須妥善安排發(fā)射與接收天線(xiàn)位置。
雖空間分集和空間多任務(wù)…等技術(shù)可在面對(duì)通道效應(yīng)時(shí)提供1個(gè)改善效能的方法，但卻無(wú)法徹底解決通道效應(yīng)問(wèn)題。這時(shí)可考慮以下幾種方案。比如在典型的2 x 2 MIMO配置中，可使用2個(gè)不同的SIMO信道仿真器進(jìn)行仿真在發(fā)射與接收天線(xiàn)對(duì)間的4個(gè)不同通道。然而SIMO信道仿真器并不能提供MIMO通道間的正確相關(guān)，這在測(cè)試系統(tǒng)效能時(shí)是很重要的1項(xiàng)特性，因?yàn)樵谀撤N程度上真實(shí)的通道間都會(huì)有一些相關(guān)性。
工程人員可以選擇直接在「真實(shí)」的無(wú)線(xiàn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，但通道非常的靈敏，既不可控制、也無(wú)法重復(fù)。另1種選擇是使用以軟件為主的工具來(lái)建立實(shí)際的MIMO通道，雖然此方法可提供RF與基頻功能是否正確運(yùn)作的指針，此法卻相對(duì)耗時(shí)，亦無(wú)法產(chǎn)生實(shí)時(shí)結(jié)果。
安捷倫N5106A PXB MIMO接收器測(cè)試儀可仿真實(shí)際MIMO信道，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)復(fù)制真實(shí)的MIMO環(huán)境，在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證的初期發(fā)現(xiàn)效能問(wèn)題，亦可產(chǎn)生接近實(shí)際現(xiàn)況的衰減情境，包括路徑與信道相關(guān)性，減少實(shí)作成本，加快校驗(yàn)過(guò)程。
圖說(shuō)：3. Agilent N5106A MIMO接收器測(cè)試儀提供多達(dá)4個(gè)基頻產(chǎn)生器和8個(gè)信道衰減仿真器，可測(cè)試及除錯(cuò)最大到4 x 2的MIMO系統(tǒng)。在此儀器中執(zhí)行Signal Studio信號(hào)產(chǎn)生軟件，可提供符合最新標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)產(chǎn)生功能。
圖4是測(cè)試1個(gè)2 x 2 MIMO接收器的簡(jiǎn)單配置圖。量測(cè)儀器連接2個(gè)RF信號(hào)產(chǎn)生器，以進(jìn)行信號(hào)的升頻轉(zhuǎn)換(upconversion)。儀器內(nèi)部的基頻產(chǎn)生器可產(chǎn)生符合標(biāo)準(zhǔn)的波形，例如，WiMAX、LTE和WLAN信號(hào)。這些基頻產(chǎn)生器透過(guò)軟件的圖形使用者接口，就能很容易地連接到通道衰減器。每個(gè)衰減器都可以分別利用符合標(biāo)準(zhǔn)的衰減模型，例如，WiMAX ITU Pedestrian B，或以各種路徑和衰減條件所自訂的模型進(jìn)行設(shè)定。與獨(dú)立式衰減器相比，儀器的自動(dòng)化功率校驗(yàn)功能，可省去進(jìn)行衰減時(shí)所需的繁瑣、費(fèi)時(shí)系統(tǒng)設(shè)定。(本文由安捷倫科技提供)
圖說(shuō)：4. 使用N5106A PXB MIMO接收器測(cè)試儀來(lái)測(cè)試2 x 2 MIMO接收器的方塊示意圖。
