是德科技與您分享MIMO技術和相關應用。我們將一起和您探討MIMO技術的發(fā)展，MIMO的分類并探究MIMO技術的本質，是不是在任何信道條件下多天線系統(tǒng)都可以帶來速率的提升?MIMO技術都有哪幾類，區(qū)別是什么等問題。文末有MIMO術語供參考。

MIMO是什么?

MIMO 是multi-input multi-out put 系統(tǒng)的縮寫，從字面上來看任何具有多個發(fā)射和多個接收天線的無線系統(tǒng)都可以稱為MIMO。除了MIMO之外，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些只在發(fā)射端或接收端有多個天線的準多天線系統(tǒng)。相信大家都理解時分復用、頻率復用和碼分復用的概念，MIMO與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比多個發(fā)射和接收天線為無線系統(tǒng)的設計者打開了一個新的維度--空間自由度。信號在多對收發(fā)天線間經歷不同的信道衰落，如果這些衰落的統(tǒng)計特性互相獨立，就相當于在通信系統(tǒng)中引入了多個傳輸通道。這和增加系統(tǒng)傳輸帶寬幾乎可以達到同樣的效果。上世紀90年代貝爾實驗室一篇介紹 ‘MIMO V-BLAST’技術的論文引發(fā)了學術界MIMO技術研究的熱潮，20多年后MIMO以及大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)仍是一個活躍的研究領域。

802.11ax MIMO 測試解決方案www.keysight.com.cn/cn/zh/products/wireless-network-emulators/wlan-device-testing/802-11ax-mimo-test-solution.html"802.11ax 測試解決方案提供了即時可用的軟件，能夠完成從 SISO 到 8x8 MIMO 的全方位測試，獲得所需要的 802.11ax 測試參數(shù)。"

在 MIMO 術語中，"輸入" 和 "輸出" 是相對于無線信道來說的。在這些系統(tǒng)中，多臺發(fā)射機同時將其信號 "輸入" 到無線信道中，然后同時將這些信號組合從無線信道 "輸出" 到多臺接收機，從而獲得性能增益。在一個實際的下行通信系統(tǒng)中，單一基站 (BS) 包含連接到多根天線的多臺發(fā)射機，單一移動站 (MS) 包含連接到多臺接收機的多根天線。在上行鏈路中也可以使用這種相同的配置。圖 1 給出了幾種基本的多天線組合圖，這些方框圖使用多根天線將無線系統(tǒng)中的每臺發(fā)射機連接到每臺接收機。每個箭頭表示兩根天線之間所有信號路徑的組合，包括直接視線 (LOS) 路徑 (應當存在一個)，以及由于周圍環(huán)境的反射、散射和折射產生的大量多徑信號。例如，單路輸入單路輸出 (SISO) 是無線電廣播、電視廣播以及早期第一代蜂窩電話的傳統(tǒng)配置。這種單一信道包括無線鏈路上出現(xiàn)的 LOS 路徑和所有多徑。單路輸入多路輸出 (SIMO) 和多路輸入單路輸出 (MISO) 配置需要在發(fā)射機或者接收機上使用單天線。將上行數(shù)據(jù)從具有單天線的移動設備傳輸?shù)桨瑑筛陨咸炀€的蜂窩基站或者無線局域網 (WLAN) 接入點時，SIMO 情形可能非常有用。另外，MISO 情形可以表示采用發(fā)射分集進行下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐渲谩?

圖 1 還給出了一種 2x2 MIMO 配置，在此配置中，在具有兩個獨立發(fā)射信道的發(fā)射機處放置兩根天線，在具有兩個獨立接收信道的接收機處放置兩根天線。在本應用指南中，將以此配置作為主要示例進行討論。顯然，使用其他多天線對組合的 MIMO 配置還有很多，例如 3x3 和 4x4。MIMO 操作并不需要發(fā)射機和接收機處的天線數(shù)目相同，即一個位置的天數(shù)數(shù)目可以多于另一位置的天線數(shù)目，例如 MxN 配置，其中 M 與 N 不相等，M 為發(fā)射天線數(shù)，N 為接收天線數(shù)。

對于所有的無線通信系統(tǒng)而言，無論是3GPP UMTS這樣的移動無線網絡，還是像WLAN那樣的無線局域網，除了通過高階調制或更大的信號帶寬這樣傳統(tǒng)的方式來提高數(shù)據(jù)速率以外，還可以通過多天線技術來提高信道的容量。作為未來移動通信的必選項目，MIMO已經引起了更多的關注，而對于MIMO系統(tǒng)的實現(xiàn)和測試，也成為通信行業(yè)的熱點及難點。本文在介紹MIMO的基本原理以及在MIMO不同移動通信標準表現(xiàn)形式的基礎上，介紹R&S公司提供的相應測試解決方案，可以滿足不同客戶、不同標準及不同階段的MIMO系統(tǒng)測試需求。

2 MIMO基本原理

根據(jù)不同的傳輸信道類型，可以在無線系統(tǒng)中使用相應的分集方式。目前，主要的分集方式包括時間分集(不同的時隙和信道編碼)、頻率分集(不同的信道、擴頻和OFDM)以及空間分集等。多天線系統(tǒng)利用的就是空間方式，而MIMO作為典型的多天線系統(tǒng)，可以明顯提高傳輸速率。而在實際的無線系統(tǒng)中，可以根據(jù)實際情況使用一種或者多種分集方式。

為了實現(xiàn) Gb/s 級鏈路吞吐量，新的制式使用更高帶寬、多路輸入多路輸出(MIMO)、空時編碼和高階正交頻分復用(OFDM)調制制式，這對無線元器件的線性、帶寬和功耗提出了新的要求。以802.11 ac為例，該標準構建在 802.11 n 的高吞吐量性能之上，旨在應對新應用模型的挑戰(zhàn)。802.11 ac 繼續(xù)在 802.11 a/n 5 GHz 頻段下工作，是在高吞吐量 802.11 n 技術標準之上建立起來的，并主要在以下四個方面做出了改進：更寬的信道帶寬(最佳 160 MHz 帶寬);更高階的 MIMO(最高 8*8);多用戶 MIMO(最多 4 個用戶);更高階的調制(可支持 256 QAM)。

設計驗證工程師必須確保其針對 802.11 ac 的設計能夠在各種條件下運行良好，驗證其設備在要求最嚴格的 MIMO 空間復用模式下仍符合性能要求。驗證MIMO發(fā)射機的工作性能需要一臺多通道信號分析儀，用以解調多流波形并測量 EVM 和其它物理層參數(shù)。802.11 ac MIMO 發(fā)射機的設計和驗證需要對多通道 MIMO 空間復用信號進行誤差矢量幅度(EVM)測量。測試解決方案應提供快速的測量方法，并保證極高的置信度。802.11 ac 標準更高階的調制形式和更寬的帶寬要求 EVM 測量較以往更為準確，而測試解決方案提供的剩余 EVM 應超過這些要求。隨著設備的演進，測試解決方案也應該逐步改進，對 MIMO 設備的測試支持能力也要從單、雙通道40 MHz 擴展至三、四通道 160 MHz 的水平。

新制式為通信系統(tǒng)架構師和射頻功率放大器設計人員帶來了新的挑戰(zhàn)。設計人員必須確定現(xiàn)有 3G 設計和未來 4G 運行環(huán)境的性能差異，以及 3G 設計是否需要重新設計，或者新的供應商是否合格。硬件也必須滿足或超出性能標準的規(guī)定，例如 ACPR、EVM 或吞吐量(如 BLER、BER 和 PER)，同時滿足內部產品設計目標要求。由于智能手機和其他先進無線器件對電池的依賴程度極高，如何通過設計獲得最高的效率十分關鍵。射頻功率放大器具有特別重要的作用。選擇和設計滿足設計目標的適合功率放大器是一個巨大的挑戰(zhàn)。

面臨的挑戰(zhàn)

功率放大器是無線通信系統(tǒng)中決定整體性能和吞吐量的關鍵元件，并且具有固有的非線性。非線性產生的頻譜再生會導致相鄰信道干擾和違反監(jiān)管機構標準的帶外輻射，還會引發(fā)帶內失真，降低通信系統(tǒng)的誤碼率(BER)質量和數(shù)據(jù)吞吐量。

圖1 至 4 是根據(jù)分量載波組合位置劃分的不同傳輸體系結構(例如數(shù)字基帶階段、射頻混頻器之前的模擬波形階段、通過混頻器后但在功率放大器之前或者通過功率放大器之后)。圖 1-4 顯示，集成 RFIC SoC、CMOS 芯片組和基站體系結構分別以不同的方式實現(xiàn)了各自的設計目標，但這些體系結構具有共同的挑戰(zhàn)――寬帶功率放大器設計，這也是射頻工程師面臨的最普遍挑戰(zhàn)。

另一個挑戰(zhàn)是在峰均功率比(PRPR 或波峰因數(shù))與功率附加效率(PAE)之間取得折中。新的正交頻分多路復用傳輸制式，例如 3GPP LTE、LTE-Advanced 和 802.11ac，，具有高峰均功率比。偶發(fā)的較高峰值功率電平導致功率放大器嚴重鉗位、影響整個波形的頻譜模板一致性、EVM 和 BER。在較低功率下運行功率放大器是降低這種非線性的一個方法。

但是，這意味著功率放大器需要在長期飽和功率以下回退很多。換句話說，功率放大器在大多數(shù)時間都處于資源浪費的狀態(tài)。這導致極低的效率，通常低于 10%。(超過 90% 的直流功率轉化為熱能并流失)。對于基站來說，這會限制服務區(qū)域范圍，增加服務提供商的資本和運營支出。同時，這還會降低手機的服務質量(QoS)和電池壽命，導致客戶不滿和收入下滑。線性化可以讓功率放大器在高功率附加效率(PAE)區(qū)間運行，接近飽和點且不會出現(xiàn)嚴重的信號失真，從而降低了成本。

數(shù)字預失真(DPD)是一個經濟高效的線性化方法。目前，市場可提供 2G/3G 制式的全套商用現(xiàn)貨(COTS)芯片組和 IP 來滿足此需求。但是，很多情況下這些商用數(shù)字預失真方法無法滿足 4G 要求。以下總結了當今物理層通信設計人員面臨的數(shù)字預失真挑戰(zhàn)。

解決方案

工程師向 4G 過渡需要一個快速可行的解決方案，以實現(xiàn) 4G 通信系統(tǒng)的數(shù)字預失真。各個知識層面的工程師都可以使用這個解決方案，并且方案的設備要求極低。工具套件必須精確、避免依賴某一特定廠商的芯片組或硬件方案來實現(xiàn)初期建模，并且能夠將定制數(shù)字預失真融入基帶設計中，從而保持較小的BOM表。此外，它必須能夠與一系列其他工具連接，以進行硬件驗證。

增加了數(shù)字預失真功能――W1716 DPD Builder 的 Agilent SystemVue 平臺是滿足上述條件的解決方案之一。該軟件提供帶有向導指示的簡單易用型用戶界面，能夠讓用戶對大功率和小功率功率放大器、收發(fā)機集成電路甚至自動增益控制模塊的 4G記憶 效應進行快速建模和校正。

W1716 DPD 旨在幫助無線系統(tǒng)架構師使用實驗室現(xiàn)有的通用商用測試設備進行早期的體系架構和元件分析。專有數(shù)字預失真解決方案需要工程師僅僅為了進行4G可行性研究就要在方案成熟前做出一系實施決定。使用 W1716 DPD，無線架構師可以在數(shù)分鐘內評測一個元件在保持硬件靈活性和充分的 4G 測量信心的前提下能夠多大程度被線性化。安捷倫實現(xiàn)上述目標憑借了以下關鍵優(yōu)勢：強大且易用的安捷倫數(shù)字預失真算法、開放、不依賴于特定廠商或技術的數(shù)字預失真與功率放大器硬件設計方法、高性能且靈活的安捷倫儀器、真實且符合標準的波形(例如 LTE 和 LTE-Advanced，帶有 CFR)進行表征。

CFR 補充并改善了數(shù)字預失真的效果。當代通信系統(tǒng)中高頻譜效率的射頻信號具有高達 13 dB 的峰均功率比(PAPR)。CFR 可預處理信號以降低信號峰值，同時不會引發(fā)嚴重的信號失真。通過降低峰均功率比，CFR 支持功率放大器在更高的功率電平下更高效率地工作，并且不會引發(fā)頻譜模板和誤差矢量幅度標準違規(guī)。CFR 直接作用于信號，而數(shù)字預失真校正功率放大器的非線性，支持信號功率的進一步提升。

Agilent PXI 模塊化數(shù)字預失真儀器

與其他數(shù)字預失真方法不同，安捷倫的數(shù)字預失真方案從設計人員的角度出發(fā)，提供功能靈活的內置寬帶建模工局，可連接至可配置的儀器(例如安捷倫模塊化 PXI 系列)(圖 5)。

此設置中，任意波形發(fā)生器配有用于 LTE-A 和 802.11ac 的 SystemVue，可以提供測試元件所需的標準信號，運行安捷倫矢量信號分析(VSA)軟件的 M9392A 捕獲信號，以測量功率放大器的非線性。使用 SystemVue 以及 M9330A 和 M9392A 可以控制并實現(xiàn)整個數(shù)字預失真設計流程的自動化。

對運行中的模擬功率放大器應用數(shù)字預失真

圖 6 顯示的是記憶多項式數(shù)字預失真器的結構圖。第一步是理解功率放大器行為背后的物理機制，并提取數(shù)字預失真系數(shù)。第二步是構建預失真器模型，以便在第一步的基礎上精確捕獲靜態(tài)非線性和記憶效應。標記為“預失真器訓練”的反饋路徑(模塊 A)輸入為 (n)/G，輸出為 z?(n)，其中 G 是預期功率放大器小幅信號增益。實際預失真器是反饋路徑的完全復制(A 的副本)，輸入和輸出分別為 x(n) 和 z(n)。理想狀況下，(n) = Gx(n)，其中 z(n) = z?(n)，誤差項 e(n) = 0。根據(jù) y(n) 和 z(n)，該結構可以讓我們直接找出模塊 A 的參數(shù)，進而生成預失真器。算法在誤差能量 ║e(n)║2 最低時收斂。

使用 SystemVue W1716 DPD 功能表征真實的功率放大器硬件是一個簡單直接的、只需幾分鐘的過程。測量設置和步驟如圖 7 所示。注意，基于仿真的數(shù)字預失真提取方法也使用相同的流程。本應用指南中暫不討論該方法。

數(shù)字預失真建模流程步驟：

1. 通過 W1716 DPD 向導計算并將數(shù)字預失真激勵波形(例如 LTE-Advanced、802.11ac 或定制波形)下載至 M9330A 任意波形發(fā)生器?；鶐我獠ㄐ伟l(fā)生器輸出 I 和 Q 模擬電壓，來驅動 Agilent N5182A MXG 信號源的基帶輸入。之后，MXG 輸出一個調制的射頻波形作為功率放大器的激勵，激勵信號帶有之前設定的平坦度和校準。注意，大型基站功率放大器可能需外部前置放大器來驅動至 1 dB 壓縮點。

2. 使用 M9392A 矢量信號分析儀捕獲原始輸入信號和功率放大器放大之后的信號，并通過 89600 VSA 軟件傳回 SystemVue。注意，功率放大器輸出信號進入 M9392A 前可能需要衰減，以避免損環(huán)或造成分析儀過載，或降低其校準性能。

3. W1716 DPD 工具可以根據(jù)時間對應并比較捕獲的輸出波形與線性標度的輸入波形，以獲得代表被測件特性的 EVM 歷史記錄。根據(jù)上述差異可以提取數(shù)字預失真模型，然后通過仿真進行驗證。此時，您可以獲得一個在斷開測量儀器后仍可使用的“臟(dirty)功率放大器”模型。

4. 為了在硬件中進行驗證，對原始激勵信號進行預失真并再次下載到信號發(fā)生器上，以再次測試功率放大器。使用與步驟 2 相同的物理連接并捕獲線性化后的DPD+功率放大器響應。

5. 分析并繪制捕獲響應的圖形。