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本帖最后由 賈延安 于 2009-9-23 15:31 編輯 Randall T. Becker 安捷倫科技 應用工程師 2009-09 多路輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)通過(guò)頻譜效率的改進(jìn)可提供更高的數據速率[1,2]。MIMO系統的性能與接收到的信干噪比(SINR)及多路徑信道和天線(xiàn)配置的相關(guān)屬性直接相關(guān)[3]。無(wú)線(xiàn)信道可使某些MIMO接收天線(xiàn)端的SINR降低，但通過(guò)在發(fā)射機端使用波束賦形，還是能夠提高系統性能。雖然波束賦形與波束控制經(jīng)常一起使用，但明白二者的差別是非常重要的，波束賦形是一種信號處理技術(shù)，波束控制是改變輻射主波瓣的方向。波束賦形非常適用于MIMO應用。3GPP長(cháng)期演進(jìn)(LTE)標準[4]包括幾種發(fā)射波束賦形技術(shù)，可在各種信道條件下優(yōu)化系統性能。其中一種就是預編碼技術(shù)，它可以提高和/或均衡通過(guò)多個(gè)接收機天線(xiàn)接收到的 SINR。 MIMO和預編碼 圖 1a 顯示了標準2×2 MIMO空間多路復用圖。假設無(wú)線(xiàn)信道將在發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間提供 4 個(gè)獨立連接。每個(gè)信道連接(圖中以箭頭來(lái)表示)均代表所有傳輸路徑的一個(gè)獨特組合，其中包括直接視距(LOS)路徑(如果存在)，以及由于周?chē)h(huán)境的反射、散射和衍射而生成的無(wú)數多路徑。根據得出的信道條件，如果任何一條接收天線(xiàn)的SINR太慢，MIMO 系統則可能無(wú)法恢復發(fā)射的數據流(層)。如圖1b所示，在了解當前信道條件后，發(fā)射機通過(guò)添加預編碼，能夠在傳輸之前有效地結合各層，達到通過(guò)多個(gè)接收天線(xiàn)均衡信號接收的目的。預編碼方案是專(zhuān)門(mén)針對空間多路復用和發(fā)射分集應用而設計的[4]。 
預編碼以發(fā)射波束賦形的概念為基礎，該概念支持多個(gè)波束同時(shí)在MIMO系統中進(jìn)行傳輸。LTE標準定義了一組復雜的加權矩陣，以便使用高達4×4的天線(xiàn)配置在傳輸之前對各層進(jìn)行組合[4]。對于2×2的配置來(lái)說(shuō)，將加權矩陣W乘以輸入層，就能得出將要發(fā)射的預編碼信號。
此處，x(q)(i) 是預編碼(q=0, 1)之前的輸入層，y(q)(i) 是應用于每個(gè)發(fā)射天線(xiàn)的預編碼信號。這個(gè)最簡(jiǎn)單的預編碼矩陣將每一層映射到專(zhuān)門(mén)用于發(fā)射那一層的單一天線(xiàn)上，而不需要與其他天線(xiàn)進(jìn)行任何耦合。在這種情況下，由碼簿索引 0 定義的加權矩陣將變?yōu)椋?br />
由碼簿索引 1 定義的第二個(gè)預編碼矩陣提供兩個(gè)輸入層相加和相減的線(xiàn)性組合。碼簿 1 的加權矩陣為：
該碼簿選擇功能允許每個(gè)信號層的一部分通過(guò)每個(gè)天線(xiàn)進(jìn)行發(fā)射，并根據信道條件，在試圖改進(jìn)和均衡每個(gè) MIMO 接收機的 SINR 時(shí)，提供一定的靈活性。 LTE 標準針對預編碼空間多路復用傳輸為兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)配置提供了4個(gè)碼簿矩陣，為4個(gè)發(fā)射天線(xiàn)系統提供了16個(gè)碼簿矩陣。要想恰當地選擇最佳的預編碼矩陣，就必須要了解發(fā)射機當前的信道條件。信道條件由創(chuàng )建閉環(huán)系統的MIMO接收機的反饋提供。對于LTE預編碼的下行鏈路傳輸，移動(dòng)終端或用戶(hù)設備(UE)將測量信道特征，并確定預編碼矩陣索引(PMI)、信道質(zhì)量指示符(CQI)和/或排名索引(RI)。該信息將發(fā)送到基站(eNB)，由基站來(lái)修改預編碼碼簿選擇，從而提高整體系統性能。由于信道條件可能隨著(zhù)時(shí)間的變化而快速改變，因此系統在關(guān)閉反饋環(huán)路時(shí)避免過(guò)分延遲是非常重要的。減少信令開(kāi)銷(xiāo)和相關(guān)反饋延遲可通過(guò)限制碼簿選擇數量來(lái)實(shí)現。不幸的是，減少碼簿數量也會(huì )限制可調整的預編碼數量，進(jìn)而降低預編碼的效力。 LTE 系統設計要求對系統性能、預編碼選件和反饋限制的平衡非常精通。一個(gè)靈活的測量系統能夠以獨特的視角，在各種仿真信道條件(包括噪聲、干擾和天線(xiàn)/信道相關(guān))下對預編碼進(jìn)行深入分析。 預編碼測量實(shí)例 在各種信道條件下檢測預編碼和 MIMO 的工作性能時(shí)，需要有各種必要的測量工具。圖 2 顯示了典型的2×2 MIMO測量設置，它由無(wú)線(xiàn)信道仿真器、信號源和信號分析儀組成。信道仿真器用于創(chuàng )建真實(shí)的多信道、多路徑環(huán)境(包括天線(xiàn)和空間相關(guān)的影響)。某些商用仿真器具有內置基帶發(fā)生器，通過(guò)在軟件工具中開(kāi)發(fā)的標準模型或定制模型，可生成復雜的波形。信道仿真器輸出復雜的基帶波形，代表預編碼MIMO信號已被多路徑、噪聲和/或干擾所修改。之后，這些基帶波形將使用許多射頻矢量信號發(fā)生器提供的模擬同相(I)和正交相位(Q)輸入，調制到射頻載波上�；鶐祿部赏ㄟ^(guò)信號發(fā)生器的數字I和Q輸入調制到射頻載波上。這是首選方案，因為這種方案可提供最佳性能，并且能夠執行系統的自動(dòng)功率校準。在圖2所示的測量系統中，兩個(gè)射頻信號發(fā)生器就是雙信道MIMO接收機的輸入。請注意，使用多個(gè)信號發(fā)生器仿真MIMO系統時(shí)，雖然不要求對設備進(jìn)行鎖相，但在測試過(guò)程中，各個(gè)發(fā)生器之間需要有一個(gè)穩定的相位關(guān)系，這是十分重要的�！版i相”通常被稱(chēng)為“相位相干性”，它表示在特定載波頻率上工作的兩個(gè)或多個(gè)信號發(fā)生器的射頻輸出間的固定相位關(guān)系。由于每個(gè)數據層的信號在進(jìn)行傳輸之前都要根據已知的信道條件添加一個(gè)矢量，因此正確的相位關(guān)系對預編碼操作十分重要。如果用來(lái)仿真多個(gè)發(fā)射機的信號發(fā)生器有一個(gè)未知和/或隨時(shí)間變化的相位關(guān)系，接收到的信號就可能出現不希望的相位偏置，從而導致一個(gè)或多個(gè)恢復數據流的性能降低。在使用兩個(gè)現代射頻信號源的測試系統中，兩臺發(fā)生器將通過(guò)共享一臺發(fā)生器的未調制的本地振蕩器(LO)來(lái)保持相位相干性(參見(jiàn)圖 2)。在某些具有多個(gè)射頻信號發(fā)生器(例如4×4和2×4配置)的測試系統中，推薦使用單獨的射頻信號發(fā)生器作為主本地振蕩器，以便為信號發(fā)生器的本地振蕩器輸入提供足夠的驅動(dòng)電平。
在圖 2 所示的測量實(shí)例中，雙信道 MIMO 接收機使用兩臺矢量信號分析儀(VSA)來(lái)配置，通過(guò)電纜將兩臺信號發(fā)生器直接連接到 MIMO 接收機的輸入端，可以使用類(lèi)似配置測試實(shí)際 2x2 MIMO 接收機系統的性能。在本例中，信道仿真器引入了可能在實(shí)際環(huán)境中出現的多路徑和信道減損。在測試 MIMO 發(fā)射機或 eNB 時(shí)，發(fā)射機可以直接連接到信號分析儀上。根據測試設備上的測量端口總數，可有多種將 MIMO 發(fā)射機連接到信號分析儀的可能配置。例如，通過(guò)使用功率組合器將 MIMO 發(fā)射機的多個(gè)信號添加到分析儀的通用端口，可以使用單路輸入分析儀進(jìn)行 MIMO 極限測試。在這種情況下，由于發(fā)射的下行鏈路參考信號在頻率和/或時(shí)間上成正交關(guān)系，每個(gè)傳輸天線(xiàn)端口的單個(gè)參考信號都可通過(guò)單路輸入分析儀來(lái)分析 EVM 特征和定時(shí)誤差。當使用兩個(gè)單路輸入分析儀進(jìn)行測試時(shí)，雙信道 MIMO 發(fā)射機可以直接使用電纜連接到分析儀。在這種情況下，即便是在碼字采用預編碼而導致每層都包含一些獨立碼字組合的情況下，分析儀也能恢復每個(gè)碼字的獨立數據。這種配置對于評測傳播信道(將會(huì )發(fā)生信道的交叉串擾和交叉耦合)的影響也非常有用。 使用 LTE 預編碼實(shí)現潛在系統改進(jìn)的測量實(shí)例現在將通過(guò)上面介紹的基本 2×2 MIMO 系統來(lái)演示。信道仿真器經(jīng)過(guò)配置可生成一個(gè)“靜態(tài)”的多路徑信道，從而造成一個(gè)接收信號具有高 SINR，另一個(gè)接收機信號具有低 SINR。圖3 顯示了采用(下圖)和未采用(上圖)預編碼的雙信道 MIMO 信號進(jìn)行恢復后所測得的星座圖。對于未采用預編碼的測量(參考了 LTE 標準中的碼簿索引 0)，數據層直接映射到兩個(gè)發(fā)射天線(xiàn)，并通過(guò)仿真的多路徑信道進(jìn)行發(fā)射，這就使接收到的第一個(gè)信號 rx0 具有相對較高的 SINR，而接收到的第二個(gè)信號 rx1，則受到了嚴重的衰減，具有很低的 SINR。第二個(gè)信號的質(zhì)量及這兩個(gè)信號間巨大的 SINR 差別使正確解碼這個(gè)兩信道 MIMO 信號變得非常困難。在本例中，當使用預編碼時(shí)，通過(guò)碼簿索引 1，較差的信道條件所帶來(lái)的負面效應可在一定程度上消除，因為預編碼將試圖均衡在每個(gè)接收機上測得的 SINR。從這個(gè)測量實(shí)例的結果可以看出，較差質(zhì)量的信號 rx1 的 SINR 得到了改進(jìn)，另一個(gè)信號 rx0 的 SINR 雖然有所降低，但仍在可接受的范圍內。通過(guò)對兩個(gè)接收信道進(jìn)行適當地均衡，MIMO 接收機能夠輕松恢復正交發(fā)射信號。
前面已經(jīng)提到，射頻信號發(fā)生器之間的相位相干性對于正確解調獨立的數據層非常重要。當已選擇好預編碼索引(index)來(lái)均衡接收機性能時(shí)，我們假設信號發(fā)生器有一個(gè)已知的相位偏置。如果發(fā)生器間的相位關(guān)系發(fā)生改變，一個(gè)數據層的性能下降，而另一個(gè)可能會(huì )提高。例如，我們繼續來(lái)看圖 3 所示的預編碼測量，為了均衡兩個(gè)接收機間的性能和它們相關(guān)的星座圖，我們選擇了預編碼索引 1。在本例中，射頻信號發(fā)生器的相位相干采用 0偏置。星座圖質(zhì)量的品質(zhì)因數是誤差矢量幅度(EVM)。EVM 是一個(gè)數字，通常用百分比表示，它可定量分析接收到的信號與離理想星座圖的偏差。低 EVM 值代表高質(zhì)量的信號。在圖 3 所示的預編碼測量中，兩個(gè)接收機上的 EVM 大約為 13.5%�，F在，如果在兩個(gè)信號發(fā)生器間引入相位偏置，則一個(gè)接收機的 EVM 會(huì )降低，另一個(gè)則會(huì )提高。圖 4 顯示了 EVM 與上面介紹的 2x2 系統中每個(gè)數據流的相位偏置的對應關(guān)系。如圖所示，當相位偏置為 0時(shí)，說(shuō)明為仿真的無(wú)線(xiàn)信道選擇了恰當的碼簿。當相位偏置增加時(shí)，數據流 1 的 EVM 會(huì )降級，數據流 2 的EVM 將改進(jìn)。當相位偏置減少時(shí)，也可觀(guān)察到相反的效應。兩個(gè)接收機間 EVM 的降低會(huì )導致選擇的碼簿與預期的信道特征失配。如果相位偏置是一個(gè)固定值，選擇不同的碼簿可能會(huì )再次均衡接收機性能。遺憾的是，當使用非相干信號發(fā)生器時(shí)，隨時(shí)間變化的相位關(guān)系會(huì )極大地影響測得的 EVM 結果和系統性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，相位相干信號發(fā)生器(如圖 2 中所描述的測量設置)將會(huì )消除多個(gè)發(fā)生器間隨時(shí)間變化的相位偏置。
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