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：M I MO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M IM O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：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 Relea se 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: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-M IMO 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“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8×8 MIMO,上行扩展到4×4,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。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LTE基站可以使用一台4通道RTO示波器同步采集4个天线口的射频信号，RTO示波器内部集成硬件数字下变频器DDC(Digital Down Converter)，直接把RF信号转成基带IQ信号通过网线传输到计算机上，使用R&S FS-K10x PC端LTE分析软件，即可分析4天线MIMO信号所有指标。来源:大比特半导体器件网
图5:4通道RTO示波器测试多天线发射机。
3.3 移动台测试
CMW500宽带无线综测仪可以用于UE研发、生产和一致性测试的各个阶段。支持各种无线通讯标准(2G、3G、LTE FDD和TD-LTE等)、蓝牙、WLAN 802.11a/b/g/n/ac以及GPS、CMMB等。CMW500拥有2个射频通道，支持2x2 MIMO测试。CMW500的频率范围可以扩展到6GHz,覆盖目前以及将来无线通讯技术的所有频段。来源:大比特半导体器件网在MIMO条件下通常需要测试射频和数据业务性能。R&S的CMW500可内置数据业务服务器(选件B450)和内部衰落模拟选件，因此是业界唯一可以用一台仪器测试终端在MIMO条件下的射频和数据业务性能的仪器。
3.5 OTA测试系统
高质量的无线通信设备需要一个近似全向性的天线，OTA(天线性能测试)测试就是用来评估此天线的性能。如今，OTA测试是无线设备认证测试时的一个重要测试项目：在暗室环境中，得到辐射发射功率和接收灵敏度的三维方向图。以往的OTA系统只能测试SISO OTA,而MIMO设备需要能测试MIMO OTA的系统。MIMO OTA给测试带来了很大的挑战，R&S 提出的基于双通道测量法的解决方案在系统的复杂程度、可升级性都有着独特的优势。来源:大比特半导体器件网
3.5.1 高效的MIMO OTA测试方法：双通道测试方案
双通道测量法是一种检验MIMO设备OTA性能直接有效的方法。距离UE相同距离处，放置两支双极化、入射角可转动的测试天线，分别发射不同的MIMO下行信号。各种方位角和极化方式的组合，便可得到UE天线的总体特征。如图6所示：OTA暗室内包含四个角度定位装置：角定位器，两支测试天线：ANT DL1,ANT DL2,呈10 °(模拟乡村)或90 °夹角分布(模拟城市);和一支通信天线：ANT UL;?此外，暗室边还有一个射频接入板可允许5路射频通道连接到暗室内的天线;外部设备包括基站模拟器(R&S CMW500)和一个开关矩阵(R&S OSP130)。来源:大比特半导体器件网
图6:支持双通道法的MIMO OTA测试系统TS8991方框图。
除了吞吐量，其它的OTA参数也可由双通道法得出，如EIS,TIS等。MIMO的EIS(有效各项同性灵敏度)3D分布图可由R&S AMS32系统软件自动生成，如图7所示，此时的接收功率对应5%的误块率(BLER)。
图7:UE4的MIMO EIS 3D分布图。
为了得到MIMO OTA性能的完整描述，需要两支发射天线在各个入射角方向对UE天线进行三维的测试，而且还需要各种极化方式的组合。
罗德与施瓦茨的双通道测试法的另一大优点是可以在原来的SISO测试系统基础上方便地进行升级，只需增加第二个角度定位器控制系统以及第二支测试天线。大大地降低了成本，也满足了业内客户的需求。
4. 小结
现在无线通信系统需要提供越来越高的数据速率。通过使用多天线系统(典型的MIMO)，可以使数据速率和信道容量有了比较大的提升。因此MIMO系统已广泛应用于多种移动通信标准，也成为了未来移动通信标准的必选项目。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。基于示波器的MIMO发射机测试和基于双通道测量法的MIMO OTA测试也很有特色。MIMO给测试带来了新的挑战，R&S公司全面的测试解决方案可以帮助客户迎接这些挑战。