【无线射频通信】-透析信道效应对MIMO系统运作效能的影响

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----透析信道效应对MIMO系统运作效能的影响由于MIMO抗衰减特性表现佳，MIMO技术可望以较高的频谱效率提升数据传输率(datarate)。商用无线系统是在具明显多重路径(multipath)环境下运行，因此，MIMO天线系统正可因此现象，发挥系统最佳运作效益…

尽管MIMO技术的特性对商业化应用极具吸引力，但MIMO系统与传统技术相较，却相对简单很多倍！在无线系统实作中，该MIMO技术会产生一些特别测试与量测挑战，其中1项挑战在于无线信道与信道相关性效应(如路径损耗和多重路径衰减)。

在无线通讯系统中，无线信道是打算系统效能的关键因素，唯有确保每个无线通道具明显差异，才能在相同时间/频率空间内支持多个串流。因此，充分了解通道相关性效应，对于MIMO效能的最佳化至为重要，要达到最佳化，则必需在真实环境与信道下精确     测试MIMO组件(例如接收器)和系统的方法。目前遇到的问题是受限于通道灵敏度、行动性需求…等因素，直接在「真实」无线环境中执行这类测试，是既无效、又不切实际的做法。为解决环境问题，则必需针对此严苛的测试环境设计专用量测设备，因应MIMO的通道效应问题。

MIMO通道相关性效应

端详MIMO运作方式及其发生作用的理由，才能更深化了解通道相关性效应所产生的新挑战。无线通讯系统中，MIMO多重天线系统会把各个天线放置在密集的多径散射(multipathscattering)环境，以利用无线通道的空间特性。MIMO系统会使用多个收发器，以便产生多个可在接收器内部恢复的信号路径。

MIMO中的「输入」和「输出」，是指存在于各个天线间的无线信道。当多个放射器同时将信号输入无线信道，而这些信号组合同时从无线信道输出到多个接收器时，便可达到效能增益。

图说：1.图中的彩色箭头描述SISO、SIMO、MISO和MIMO(2x2)系统信道配置。

图1是在无线系统中用来连接放射器与接收器的几种基本配置，包括单一输入单一输出(SISO)、单一输入多重输出(SIMO)、多重输入单一输出(MISO)和多重输入多重输出(MIMO)。图中的每个箭头代表2个天线间的多个信号路径(包括直接视线传输LOS路径)，及由周遭环境的反射、散射和绕射造成的多径信号。在2x2MIMO配置中，每个放射器天线都有2个不同的放射通道，而每个接收器天线则有2个合并接收通道，还有很多其它MIMO配置，是使用多对天线组合，例如3x3和4x4。在配置MIMO系统时，甚至可在放射器与接收器使用不同数目天线。

实现MIMO系统，可对抗信号衰减或提高系统容量。一般而言，多重天线可分为空间分集、空间多任务和波束成形…等3种技术。

以空间分集技术达到抗衰减目的

空间分集(SpatialDiversity)技术可藉由削减重新传输次数，达到提高功率效率目的，主要采纳延迟分集(delaydiversity)、空时区块码(Space-TimeBlockCodes；STBC)和空时格码(Space-TimeTrellisCode；STTC)…等方法。

在多重路径明显的环境下，无线信道中的信号功率会随时间和距离快速地波动，当接收器的信号功率大幅下降时，通道就处于多径衰减状态，无线通道中通常会使用分集来对抗此衰减效应。天线分集对抗衰减的方法，是将来自于2个或更多个衰减的信道信号加以合并。以SIMO系统为例，当接收器将来自不同天线的信号合并，使该信号的振幅变化比任1个天线信号振幅来得小时，接收天线分集便能改善系统效能。分集特性在于衰减信道的数目，又称为分集阶数(diversityorder)，即等于SIMO系统中的接收天线数目，但假如衰减通道并非，则天线分集可能无法改善系统效能。

从放射分集适用于MISO通道的角度观看，假如从每个放射天线到单1个接收天线的信道具有衰减特性，则分集阶数会等于放射天线数目。若放射器事先并不知道通道特性，则必需适当设计放射信号，以使接收器达到分集增益。空时编码(SpaceTimeCoding；STC)是近来颇受瞩目的1种放射分集技术，它会在不同时间将相同使用者数据传送到2个放射天线，以提高胜利恢复所需数据的机率，此技术亦可对空间和时间数据进行有效编码。

图2是使用AlamoutiSTC的1个简洁的方块图。此系统中的2个天线会在任1个符号周期内，同时放射2个不同符号。

图说：2.Alamouti空时编码(STC)方块图，其中h0和h1代表通道系数，S0,S1…代表序列中的符号，()*则代表共轭复数运算。此系统中的2个天线会在任1个符号周期内，同时放射2个不同符号。

STC分集技术无法提升系统数据传输率，只能改善信号质量。图2中的序列不仅采空间与时间编码(空时编码)，也可进行空间域和频域编码。在此状况下，2个不同的天线并不会放射2个连续符号周期，而是会使用2个频率载波(空间-频率编码)。

MIMO通道中的分集是上述放射与接收分集的组合。假如在每1对放射/接收天线间的信道具衰减特性，则分集阶数会等于放射与接收天线数目的乘积。

空间多任务技术提升数据传输速度

空间多任务(SpatialMultiplexing)技术使用定义为MIMO的空间多任务，其特色是不同天线会同时放射各个数据流，以增加有效数据传输率。空间多任务使用与传统SISO系统中相同的频宽和功率，却可以提高传输速率。理论上容量的增加会与加入MIMO系统中的放射/接收天线对数目呈线性相关。当配置中的放射器与接收器天线数目不相等时，容量增加会与当中较小的数目，M或N成比例关系。

空间多任务也可应用于多使用者格式，亦即分空多任务存取(SpaceDivisionMultipleAccess；SDMA)。若有2名行动用户透过相同无线信道放射他们个别的信号，这2个信号会传送到配备2个天线的基地台，并经由空间多任务将它们区分开来，容量增加会与基地台的天线数目或行动用户数量(取其较小者)成比例关系，虽然用户并未感受到容量增加，但服务供应者却可以在相同空间为更多的用户供应服务。这项技术已在WiMAXWave2标准中加以定义，称为「上行链路协同空间多任务」(UplinkCollaborativeSpatialMultiplexing；UL-CSM)。

空间多任务只有在无线环境的多重路径现象很明显时，才能提高数据传输率，缘由在于这类环境会使通道间的相关性降低，以便能够在接收器进行数据恢复，当信道间有高度相关时，空间多任务的效能便会急剧下滑。

波束成形技术达到容量增益

波束成形(Beamforming)技术必需利用放射器信道的背景学问，在传统波束成形应用中，每1个天线组件会在每1个信号路径应用简单的权重(大小和相位)后，同时放射相同的信号(数据符号)，以便使天线数组在无线链路上达到最佳的信号/噪声比(SNR)。

在针对空间分集或空间多任务而最佳化的波束成形器(beamformer)中，每1个天线组件会同时放射2个数据符号的加权组合。此波束成形技术必需知道放射器通道特性，它会利用该项信息建立波束成形(预失真)矩阵，以作为放射器与接收器的前置和后置滤波器，从而达到容量增益目的。在此状况下，可能需要量测接收器的信道，并将信息传回放射器。

妥当支配天线位置减轻信道效应

无线信道在MIMO系统实作上扮演着不行或缺的角色，因此，彻底了解可能对其造成负面影响的任何效应便非常重要。空间分集和空间多任务可大幅提升系统效能，但前提是必需正确设定空间大小，以利用多径环境的丰富特性。以空间分集来说，使用STC可达到的分集增益主要取决于通道分集阶数，在每1对放射-接收天线间的信道必需衰减，使信道分集阶数等于放射与接收天线数目的乘积。假如在放射/接收天线对间的信道具高度相关性，则可达到的分集增益将相对有限。

在空间多任务的MIMO应用中，通道间相关性必需很低才行，不同的空间信号流只在适当信道环境下才会清晰地区分，为让各对天线间的信道达到较低的相关性，通常必需妥当支配放射与接收天线位置。

虽空间分集和空间多任务…等技术可在面对通道效应时供应1个改善效能的方法，但却无法彻底解决通道效应问题。这时可考虑以下几种方案。比如在典型的2x2MIMO配置中，可使用2个不同的SIMO信道仿真器进行仿真在放射与接收天线对间的4个不同通道。然而SIMO信道仿真器并不能供应MIMO通道间的正确相关，这在测试系统效能时是很重要的1项特性，由于在某种程度上真实的通道间都会有一些相关性。

工程人员可以选择直接在「真实」的无线环境中进行测试，但通道特别的灵敏，既不行掌握、也无法重复。另1种选择是使用以软件为主的工具来建立实际的MIMO通道，虽然此方法可供应RF与基频功能是否正确运作的指针，此法却相对耗时，亦无法产生实时结果。

安捷伦N5106APXBMIMO接收器测试仪可仿真实际MIMO信道，利用数字信号处理技术复制真实的MIMO环境，在设计、开发与验证的初期发觉效能问题，亦可产生接近实际现况的衰减情境，包括路径与信道相关性，削减实作成本，加快校验过程。

图说：3.AgilentN5106AMIMO接收器测试仪供应多达4个基频产生器和8个信道衰减仿真器，可测试及除错最大到4x2的MIMO系统。在此仪器中执行SignalStudio信号产生软件，可供应符合最新标准的信号产生功能。

图4是测试1个2x2MIMO接收器的简洁配置图。量测仪器