应对mimo多入多出技术测试挑战

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1、应 对 MIMO 多 入 多 出 技 术 测 试 挑 战摘 要 ： 本 文 在 介 绍 MIMO 原 理 和 不 同 通 信 体 制 MIMO 应 用 的 基 础上 ， 给 出 了 R&S 公 司 的 相 应 测 试 解 决 方 案 。 R&S 的 信 号 源 、 无 线 综 测 仪 都为 双 通 道 设 计 ， 大 大 方 便 了 MIMO 的 测 试 。关 键 字 ： MIMO 系 统 , 传 输 容 量 , 接 收 机现 代 无 线 通 讯 系 统 对 数 据 传 输 速 率 的 要 求 越 来 越 高 ， 除 了 通 过 高 阶 调 制 或 更大 的 信 号 带 宽 这 样 传 统 的

2、 方 式 来 提 高 数 据 速 率 以 外 ， 还 可 以 通 过 多 天 线 技 术 来 提高 信 道 的 容 量 。 MIMO 已 经 成 为 现 代 通 讯 标 准 必 不 可 少 的 一 部 分 。 波 束 赋 形(Beamforming)作 为 一 种 特 殊 的 MIMO 技 术 ， 可 以 将 信 号 能 量 集 中 向 某 个 方 向发 射 ， 可 以 有 效 地 提 高 小 区 边 缘 的 覆 盖 。 对 于 时 分 复 用 (TDD)系 统 (如 TD-LTE)， 由 于 上 、 下 行 信 道 频 率 相 同 、 信 道 特 性 一 致 ， 波 束 赋 形 技 术 的

3、优 势 尤 为 突出 。 同 时 MIMO 系 统 的 实 现 和 测 试 ， 也 成 为 通 信 行 业 的 热 点 及 难 点 。1 MIMO 基 本 原 理通 常 ， 多 径 要 引 起 衰 落 ， 因 而 被 视 为 有 害 因 素 。 然 而 研 究 结 果 表 明 ， 对 于MIMO 系 统 来 说 ， 多 径 可 以 作 为 一 个 有 利 因 素 加 以 利 用 。 利 用 多 径 衰 落 特 性 ， 可以 在 不 改 变 带 宽 占 用 的 情 况 下 ， 成 倍 的 增 加 系 统 的 传 输 容 量 。1.1 多 天 线 系 统多 天 线 系 统 有 以 下 分 类 ：

4、来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网1.1.1 空 间 分 集 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网空 间 分 集 对 应 于 在 不 同 的 传 输 信 道 发 送 相 对 冗 余 的 数 据 ， 这 样 可 以 提 高 系 统的 稳 定 性 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网1.2.2 空 分 复 用空 分 复 用 不 仅 仅 是 为 了 增 加 系 统 的 稳 定 性 ， 同 时 也 可 以 增 加 传 输 速 率 。 为 了提 高 传 输 速 率 ， 数 据 可 以 分 成 几 个 的 数 据 流 ， 在 不 同 的 天 线 上 进 行 传 输 。 空 分

5、 复用 的 天 线 形 式 如 图 1 所 示 ： 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 1:MIMO 天 线 配 置 。因 为 MIMO 通 过 无 线 信 道 进 行 传 输 ， 不 同 的 收 发 天 线 之 间 都 存 在 相 应 的 传输 信 道 。 同 时 由 于 每 个 传 输 路 径 的 冲 击 响 应 的 存 在 ， 因 此 不 同 的 传 输 信 道 之 间 存在 相 互 影 响 。 通 常 发 射 信 号 会 包 含 特 殊 部 分 ， 例 如 导 频 信 号 、 或 者 称 为 参 考 信 号 ，这 些 参 考 信 号 的 时 域 、 频 域 位 置 是 固

6、定 的 ， 信 号 内 容 也 是 固 定 的 ， 因 此 接收 机 可 以 根 据 这 些 信 号 估 计 出 每 一 条 传 输 路 径 的 信 道 特 性 从 而 得 出 传 输 矩 阵 H,进而 可 以 得 到 不 同 天 线 的 数 据 内 容 。 空 分 复 用 还 有 闭 环 方 式 ， 即 接 收 机 会 向 发 射 机汇 报 信 道 状 况 ， 从 而 根 据 当 前 的 信 道 质 量 调 整 发 射 端 的 编 码 方 式 ， 以 适 应 时 变 的信 道 特 性 。1.2.3 波 束 赋 形自 适 应 天 线 阵 列 可 以 通 过 窄 带 波 束 实 现 空 间 分

7、集 。 智 能 天 线 可 包 括 切 换 式 波束 赋 形 和 自 适 应 波 束 赋 形 ， 可 以 用 于 所 有 的 天 线 阵 列 系 统 以 及 MIMO 系 统 ，如 图 2 所 示 ： 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 2:切 换 波 束 赋 形 和 自 适 应 波 束 赋 形 。2 无 线 通 信 系 统 中 的 MIMO 技 术目 前 ， MIMO 已 经 成 为 未 来 移 动 通 信 技 术 的 必 选 项 目 ， 都 会 采 用 相 应 的 分集 和 复 用 技 术 。 以 下 简 单 介 绍 不 同 标 准 中 对 应 MIMO 的 不 同 表 现 形

8、 式 。2.1 3GPP UMTS作 为 主 流 的 移 动 通 信 标 准 ， 3GPP 标 准 已 经 有 了 长 足 的 发 展 。 从WCDMA 开 始 ， 已 经 引 入 了 很 多 提 高 传 输 速 率 的 方 法 ， 包 括 HSDPA 和HSUPA.2.1.1 HSPA+ (3GPP Release 7/8) 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网Release99 (WCDMA)已 经 引 入 了 发 射 分 集 的 概 念 ， Rel.7 版 本 的HSPA+采 用 了 MIMO 的 技 术 。 而 在 Rel.8 的 标 准 中 ， MIMO 和 64QAM 可以

9、 同 时 使 用 ， 峰 值 速 率 最 高 可 达 42Mbps,但 不 支 持 上 行 MIMO.关 于HSPA+的 更 多 细 节 ， 请 参 阅 参 考 文 献 1. 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网2.1.2 LTE (3GPP Release 10)3GPP Release8 版 本 中 定 义 的 LTE,采 用 降 低 延 时 和 分 组 交 换 技 术 可 以 达 到更 高 的 传 输 速 率 。 LTE 的 多 址 方 式 下 行 采 用 OFDM,上 行 采 用 SC-OFDM,同时 MIMO 技 术 也 是 LTE 的 重 要 组 成 部 分 。 来 源 :

10、大 比 特 半 导 体 器 件 网在 LTE 的 上 行 链 路 中 ， 为 了 降 低 终 端 UE 的 复 杂 程 度 ， 采 用 MU-MIMO 技 术 。 在 MU-MIMO 技 术 中 ， 多 个 UE 每 个 使 用 一 个 发 射 天 线 ， 在 相同 的 无 线 信 道 中 进 行 传 输 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网在 3GPP Release 9 中 ， 更 加 明 确 的 定 义 了 8 种 所 谓 的 传 输 模 式(TM,Transmission Mode)。 上 、 下 行 分 别 最 多 定 义 了 4 根 天 线 的 配 置 (表 1)。同

11、时 也 定 义 了 波 束 赋 形 对 应 的 TM,但 是 3GPP 文 档 没 有 规 定 波 束 赋 形 使用 的 天 线 的 数 目 ， 具 体 数 目 由 厂 商 自 行 决 定 。表 1:3GPP Release 9 定 义 的 传 输 模 式 。其 中 对 于 TM7, 定 义 了 “虚 拟 ”天 线 端 口 ， 对 于 接 收 机 而 言 ， 在 波 束 赋 形 的模 式 下 ， 可 以 认 为 所 有 的 信 号 都 是 从 一 个 “虚 拟 ”的 天 线 口 发 出 来 的 ， 接 收 机并 不 关 心 实 际 的 发 射 天 线 数 目 。 因 此 该 模 式 又 称 “

12、虚 拟 天 线 端 口 5”模 式 。 与 此 类 似 的 ， TM8 又 称 了 “虚 拟 天 线 端 口 7、 8”模 式 ， 并 且 TM8 结 合 了 空分 复 用 (2 个 传 输 层 )和 波 束 赋 形 技 术 ， 因 此 称 作 “双 层 波 束 赋 形 ”. 需 要 注 意的 是 ， TM7 和 TM8 定 义 了 UE 专 用 的 参 考 信 号 (UE-specifi reference signal)，用 于 该 模 式 下 的 信 道 估 计 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网3GPP Release 10 更 是 把 下 行 扩 展 到 88 MIMO

13、,上 行 扩 展 到 44,并 且 定义 了 TM9 模 式 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网2.3 WLAN (802.11ac)根 据 802.11ac 的 规 范 定 义 ， WLAN 需 要 在 160MHz 的 带 宽 内 达 到 峰 值速 率 1Gbps.WLAN802.11ac 可 以 后 向 兼 容 802. 11 a/b/g/n.系 统 最 多 支 持 8个 发 射 天 线 ， 对 应 8 个 数 据 流 。 同 时 还 支 持 多 用 户 MIMO.3 R&S 解 决 方 案目 前 ， R&S 的 测 试 设 备 可 以 为 支 持 MIMO 技 术 的 所

14、 有 移 动 通 信 标 准 提 供相 应 的 测 试 解 决 方 案 。 信 号 发 生 器 可 以 在 非 信 令 模 式 下 支 持 MIMO 系 统 上行 和 下 行 的 接 收 机 测 试 。 信 号 分 析 仪 主 要 用 于 发 射 机 测 试 。 而 无 线 综 测 仪 提 供 信令 模 式 下 的 射 频 测 试 、 协 议 和 数 据 业 务 性 能 测 试 。 RF 测 试 系 统 提 供 完 整 的RF 一 致 性 测 试 。 OTA(天 线 性 能 测 试 )测 试 是 用 来 评 估 此 天 线 的 性 能 。 来 源 :大比 特 半 导 体 器 件 网3.1 信

15、号 发 生 器SMU200A 是 业 界 唯 一 的 具 有 双 通 道 的 矢 量 信 号 源 ， 双 通 道 的 设 计 使 得 一 台SMU 就 能 测 试 被 测 设 备 的 MIMO 性 能 。 也 使 得 SMU 成 为 测 试 MIMO 的 首选 。 SMU 可 以 支 持 各 种 包 含 MIMO 技 术 的 移 动 通 信 标 准(802.11ac、 802.16e、 3GPP Rel7 和 Rel9、 10)。 SMU 的 界 面 如 图 3 所 示 。此 外 ， 在 SMU 的 MIMO 选 件 中 ， 可 以 对 各 个 衰 落 信 道 间 的 相 关 性 进 行 设置

16、 。 而 且 SMU 衰 落 模 拟 器 内 置 了 很 多 标 准 规 定 的 实 时 的 衰 落 场 景 ， 可 以 方 便 用户 直 接 调 用 。 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网图 3:SMU MIMO 设 置 界 面 。3.2 信 号 分 析 仪图 4:高 端 信 号 分 析 仪 FSW.对 于 发 射 测 试 ， FSW/FSQ/FSG/FSV 信 号 /频 谱 分 析 仪 可 以 使 用 。 可 以 用于 大 多 数 MIMO 测 试 例 ， 如 LTE 标 准 中 的 Timing Alignment 测 试 。 图 4所 示 为 业 界 最 高 端 的 信 号 分 析 仪 FSW. FSW 提 供 了 业 界 最 优 良 的 射 频 性 能 ，并 提 供 160MHz 的 分 析 带 宽 。 该 仪 器 还 内 置 了 独 具 特 色 的 多 标 准 无 线 信 号 分 析功 能 MSRA(Multi-Standard Radio Analyzer)功 能 。对 于 4 天 线 的