MIMO仿真測試的技術(shù)要求及解決方案

1、概述

MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）時空編碼無線通信因其在傳輸速率、移動性、頻譜效率、無縫覆蓋等方面具有明顯的優(yōu)勢，正逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，在全世界范圍內(nèi)圍繞這種技術(shù)展開了廣泛的研究。在WiMax，WLAN、3G、B3G等領(lǐng)域，各種新型的技術(shù)標準正在逐漸形成。

然而由于MIMO技術(shù)本身的復(fù)雜性，系統(tǒng)的性能模擬并不簡單。一些用于系統(tǒng)模擬及仿真的信道模型和算法并不符合實際無線信道的實際情形。實踐證明，為了對MIMO信道和系統(tǒng)取得深層的理解，進而優(yōu)化MIMO通信系統(tǒng)的性能，一種高精度、高穩(wěn)定度、高保真度的信道仿真設(shè)備可對科研和系統(tǒng)測試工作帶來無與倫比的便利和效率。Elektrobit公司的高端信道仿真設(shè)備（PropsimTM C8）支持MIMO系統(tǒng)仿真、多路徑、多通道，可以完成多達4×4的MIMO系統(tǒng)仿真。

以下首先簡述MIMO仿真系統(tǒng)的基本技術(shù)要求，然后介紹基于PropsimTM C8基礎(chǔ)上的MIMO仿真解決方案。

2、MIMO仿真的基本技術(shù)要求

在進行MIMO仿真時，信道仿真設(shè)備必須能產(chǎn)生精確和符合實際的信道響應(yīng)，才能對MIMO通信系統(tǒng)的性能做出客觀的評估。首先，仿真系統(tǒng)的各項參數(shù)，如各信道和路徑之間的相位誤差、幅度分配誤差和時延誤差，各信道間的相關(guān)性設(shè)置以及計算得到的相關(guān)矩陣的精度等等都會影響測量的真實效果。其次，仿真設(shè)備的同步和工作穩(wěn)定性也會對測量結(jié)果造成很大影響。當然，信道仿真設(shè)備所使用的信道模型必須真實反映MIMO信道的時空特性和多徑衰落效應(yīng)。另外，實際信道測量結(jié)果表明各MIMO子信道間具有不同程度的相關(guān)性，而不是理想條件下的完全獨立情況。因而在實際測試時也要考慮這種相關(guān)性來保證系統(tǒng)性能測試的準確度和可信度。

2.1　時延精度

在實際信道環(huán)境中，高頻無線信號通過很多路徑進行傳輸，以不同的空間方位角和不同的時延到達接收端。相對路徑時延的仿真精度對TX/RX天線陣列（智能天線）的評估尤其重要。這是確保信號分配和組合準確性的先決條件。因而邏輯上就要求仿真器設(shè)計盡可能緊湊，信號的處理和傳輸盡可能在儀器內(nèi)部實現(xiàn)。

PropsimTM C8一臺設(shè)備就可以支持多達16個獨立信道，每信道24徑，所有信號的分流和復(fù)合功能全部內(nèi)置，全數(shù)字化處理，保證了徑時延的精度和穩(wěn)定性。

2.2　相位精度

同樣，多信道和多路徑信號間的相對相位精度也是MIMO信道仿真中的另一個關(guān)鍵因素。

PropsimTM C8信道間的典型相位誤差為2度左右（日常校準后），在進行對精度要求更高的研發(fā)工作時，可以通過2～4小時間隔的校準，達到1度的相位精度。PropsimTM C8路徑間的相對相位誤差精確至可忽略不計的程度。另外，C8系統(tǒng)設(shè)計緊湊，所有通道的模塊全部通過一個背板上的總線連接，可以非常精確地控制相位的漂移，保證實際精度。

2.3　功率分布精度

如果進行天線陣列的波束賦形方面的研究，對功率分布精度的要求尤其明顯。

PropsimTM C8各個信道間的幅度誤差最大為0.5dB，完全可以符合實際使用時的要求。

2.4　AWGN噪聲源

噪聲源是MIMO仿真的另一個需求�？蒲腥藛T往往需要精確測試信號和噪聲功率、精確設(shè)定信噪比（SNR）。

在PropsimTM C8設(shè)備中，每個信道都可以配置獨立的AWGN噪聲源，噪聲功率可以精確設(shè)定，也可以在固定SNR值時進行設(shè)定。如果在某些測試案例中需要固定SNR值，C8會在數(shù)字層面上測量信號功率，從而精確設(shè)置SNR值。這種方式比起模擬層面的信號功率測量更為精確和快捷。所得到的SNR可以在很短時間內(nèi)達到0.3 dB的精度，而且這個精度在很大的功率動態(tài)范圍內(nèi)都可保證。這種絕對功率控制模式使得根據(jù)3GPP基站測試規(guī)范的實現(xiàn)成為可能。

2.5　干擾源

在無線系統(tǒng)中，存在各類干擾源。而且越來越多的無線系統(tǒng)的應(yīng)用對需要考慮的干擾信號類型和數(shù)量要求越來越高。不僅今天的研發(fā)人員要精確定義干擾信號的類型和強度，而且在宏觀上，國家網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員也需要全面考慮目前和將來的無線系統(tǒng)中所面臨的干擾信號及其各種干擾信號對通信系統(tǒng)的影響。

PropsimTM C8中可以像加入AWGN信號一樣加入各種干擾信號。更具吸引力的是由于設(shè)備是一個集成度很高的數(shù)字系統(tǒng)平臺，通過軟件升級就可以方便添加干擾源。

2.6　信道相關(guān)性

MIMO信道仿真中一個最重要的方面就是要能夠調(diào)整和設(shè)定不同衰落信道及不同衰落路徑間的相關(guān)系數(shù)，設(shè)定完整復(fù)雜的相關(guān)矩陣，PropsimTM C8充分支持這種功能，它對智能天線和波束賦形技術(shù)尤其有用。

圖1　在PropsimTM C8中構(gòu)建MIMO系統(tǒng)模型

圖2　PropsimTM C8信道相關(guān)矩陣的設(shè)定

3、PropsimTM C8 MIMO仿真解決方案

3.1　PropsimTM C8 MIMO仿真平臺的構(gòu)建

如圖3所示，使用一臺PropsimTM C8便可實現(xiàn)4×4單工MIMO仿真。系統(tǒng)構(gòu)建簡潔，無需繁復(fù)的外部電纜和分路/合路、功率/相位/時延等的調(diào)整器件。C8內(nèi)置了絕大部分此類模塊連接功能和元器件。

圖3　PropsimTM C8 4×4單工MIMO

PropsimTM C8給科研和測試人員提供了一個可靈活配置的仿真系統(tǒng)平臺。如2×2 MIMO雙工（圖4），2×3，2×4，4×2 MIMO系統(tǒng)。利用內(nèi)置和豐富的信道和路徑資源（8信道、48徑/信道，或16信道、24徑/信道），這些配置都可以在操作方便的圖形用戶界面（GUI）來完成。

圖4　PropsimTM C8 2×2雙工MIMO

3.2　PropsimTM C8的其它優(yōu)勢

3.2.1　優(yōu)越的基于文本原理的仿真

PropsimTM C8基于仿真文本的工作原理，相對于硬件實時仿真主要具有以下優(yōu)點：

*確保100%衰落環(huán)境及測量結(jié)果的可重復(fù)性，而不僅僅是統(tǒng)計意義上的簡單測試重復(fù)�；�于文本原理的仿真還可以將仿真過程凍結(jié)在某個特定的系統(tǒng)狀態(tài)，進行慢速、逐步或重復(fù)播放。此功能在系統(tǒng)調(diào)試、糾錯和比較階段極為有用。

*基于文本原理的仿真系統(tǒng)在增加新型信道模型方面更為靈活，只要通過軟件升級即可。而硬件實時仿真系統(tǒng)內(nèi)置隨機序列發(fā)生器，是否能增加某種信道模型取決于其信道模型的特性。

3.2.2　自動同步

PropsimTM C8中的所有信道模塊均連接于同一個仿真控制單元上，使用同一個內(nèi)部時鐘，從而工作自動同步。儀器本身還有同步和時鐘信號的輸入和輸出端口，可以保證多臺儀表一起同步工作。

3.2.3　簡捷的校準過程

PropsimTM C8的校準過程極為簡捷。校準時將一個信道作為參考信道，使用VNA儀測量其相位響應(yīng)。其它信道則以此信道為參考進行測量和調(diào)整。整個校準過程均通過操作簡單的GUI工具來完成。

3.2.4　直觀的用戶界面

使用PropsimTM C8圖形用戶界面（CUI），通過非常簡單的操作，就可以創(chuàng)建復(fù)雜的MIMO系統(tǒng)模型，選擇信道模型，和設(shè)置相關(guān)矩陣等。也可直接輸入每個衰落路徑的TX和RX相關(guān)矩陣。即使使用多個仿真儀進行更大系統(tǒng)仿真，所有操作還是可以通過單臺PropsimTM C8的GUI完成。

4、結(jié)論

MIMO仿真系統(tǒng)最重要的技術(shù)要求就是盡可能保證仿真精度接近于現(xiàn)實環(huán)境。也正是因此要求決定了仿真系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜程度。PropsimTM C8的設(shè)計基于Elektrobit公司在信道測量、信道建模和信道仿真領(lǐng)域所長期積累的豐富經(jīng)驗，是專為MIMO研發(fā)和測試人員和機構(gòu)提供的高精度信道仿真設(shè)備。自進入市場以來，PropsimTM C8已被廣泛接受和認可，并成為全球MIMO仿真和下一代通信系統(tǒng)研發(fā)和測試機構(gòu)的標準儀表。