WiMAX Wave2的雙信道MIMO測量

WiMAX Wave 2規範目前支持使用多個天線，以同時改善下行鏈路和上行鏈路的系統性能。與傳統的單路輸入單路輸出（SISO）實施方案相比，多路輸入多路輸出（MIMO）配置的系統具有更高的頻譜使用效率，因此數據速率更高。對這些高級 WiMAX 系統進行表徵和故障診斷，通常需要使用具有信道估算功能的雙信道信號分析儀、「矩陣解碼器」和OFDM解調器。

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矩陣A和矩陣B配置

在 WiMAX Wave 2系統下行鏈路發射端工作的多天線實施有空時編碼（STC）—矩陣A和MIMO—矩陣B兩種方案。圖1為2x1 STC 和2x2 MIMO的典型下行鏈路配置。

在矩陣A（STC）實施中，信道可以建模成兩條路徑，這兩條路徑將基站（BS）的兩個發射天線連接到移動站（MS）上的一個接收天線。每條信號路徑都可用一個唯一的信道係數「hx」來表示。每個係數代表各個發射－接收天線對之間所有路徑的（假設為線性）集合，還可能包括在發射機中產生的信道間串擾以及在無線信道中出現的無數個多路徑信號。另外使用每個天線在不同時刻、以同一頻率發射同一信號的不同編碼版本，可以改善信號接收質量。這種技術就是空間分集技術，矩陣 A 配置實施的就是這種技術。

與之不同，矩陣B（MIMO）系統使用每個天線同時在同一頻率信道上發射不同的數據流，以實現更高的數據速率和頻譜效率。圖1中所示的矩陣B配置，在無噪聲系統中測得的接收信號為：

假設四個信道係數已知，矩陣B接收機就能使用下面的簡化方法來辨別並恢復發射的波形。

這些方程也可用矩陣形式來表示：

矩陣解碼器的功能就是執行信道矩陣[H]的求逆運算和相關的數學運算，從而將最初發射的數據流進行恢復並將這些信息傳輸到解調器。注意，矩陣解碼與解調是相互獨立的，矩陣解碼要先於解調之前完成。

當信道係數之間存在關聯時，實際的WiMAX 接收機可以使用其固有的分解或MMSE技術[參考文獻1]來進行真實的數據恢復。如上所述，數據恢復需要知道信道係數，信道係數的值可由接收機或雙信道信號分析儀使用WiMAX OFDM 波形[參考文獻2]中包含的獨一無二的導頻結構來測出。精確的矩陣解碼取決於信道係數的獨立程度，並且它還會進一步受到信道中噪聲數量的影響，這一點非常重要。當信道矩陣變成「病態矩陣」並且很難進行精確的倒數運算時，相關的信道係數和/或噪聲便會導致系統性能降低。

在上行鏈路中，MIMO可通過在同一頻率信道上工作的兩個獨立移動站（手機）之間協調一致的同步傳輸來實施。這種技術稱為上行鏈路協同空間多路復用（UL-CSM）技術，為了實施 2x2 MIMO，該技術在基站上使用了兩個或更多的接收天線，並在每個移動站上使用一個天線 [參考文獻2]。在這種配置中，MIMO的實施僅限於上行鏈路。DL-MIMO要求每個移動站有兩個天線和接收機信道。

信道估算、矩陣解碼和解調

矩陣A波形和矩陣B波形的信號分析和故障診斷可使用單路輸入或多路輸入的矢量信號分析儀（VSA）來完成。許多基本測量，例如STC或MIMO發射機中的信道間串擾和定時，都可通過將單路輸入分析儀直接連接到選定的發射機輸出埠來完成[參考文獻3]。當發射信號具有良好的隔離度時，這種單路輸入的方法非常有用，此時無需使用矩陣解碼器對波形進行解調。某些測試程序，如WiMAX Wave 2 配置文件中定義的射頻一致性測試（RCT），規定了在可能出現串擾以及不使用矩陣解碼器的情況下，對發射機信號質量的單信道測量。遺憾的是，在系統優化和故障診斷過程中，這種基本測量對於分析眾多信號誤差的根本原因幾乎沒有什麼作用。在這種情況下，要想找出誤差的根源，常常需要將使用與不使用矩陣解碼器進行測量的結果進行比較。在矩陣A系統中，可使用單信道VSA對使用和不使用解碼器兩種情況進行測試。在矩陣B 和UL-CSM系統中，一般需要使用雙信道VSA來對這些日益複雜的波形進行全面分析。

圖2所示是一個典型的具有WiMAX MIMO測量功能的雙信道VS（如帶有選件B7Y的Agilent 89600系列分析儀）的測量流程。在矩陣B配置中，MIMO信號分析從估算複雜的信道係數開始，這些係數可通過對在兩個輸入信號接收到的大量已知導頻子載波進行測量而得到，如圖中的 Rx0和Rx1所示。這四個信道係數將作為子載波頻率的函數來顯示，在對MIMO系統進行優化和故障診斷時，這些係數是一個非常有用的分析工具。估算出來的信道係數主要被矩陣解碼器用來恢復2x2 MIMO信號中的兩個獨立的數據流。矩陣解碼器的作用是抵消信道效應，而不是執行數據解調。如圖2所示，矩陣B數據流經過恢復之後，然後傳輸到OFDM解調器進行進一步的信號分析。

如上所述，當直接連接到發射機埠時，基本解調無需使用矩陣解碼器。此外，圖2還顯示了兩條繞開矩陣解碼器的測量路徑。在這個配置中，信道特徵是利用前導碼、導頻和/或相關的數據子載波中包含的信息來估算出來的。這些信道響應可能會包含發射機和信道串擾，並且這些響應可能會和在嵌入式MIMO導頻中提取出來的MIMO信道係數有所不同。作為解調過程的一部分，這些信道響應可用來均衡波形（使波形的頻率響應變平），對WiMAX波形的故障診斷非常有用。然而，這兩個測得的信道響應卻無法包含足夠的信道信息來進行矩陣解碼。

矩陣A使用VSA進行信號分析的路徑和矩陣B配置相同，只是它需要一個單信道分析儀。表 1 為使用單路輸入解決方案和雙路輸入解決方案（如 Agilent 89600 系列VSA）來測試矩陣A和矩陣B波形的典型測量配置的簡單列表。該表不但列出了矩陣解碼器對OFDM解調結果的影響，還顯示了當選擇VSA上的均衡器和MIMO信道頻率響應時所顯示的信道係數。

探索信號損耗情況

圖3是使用雙信道VSA測量一對仿真矩陣B波形得到的結果。在本例中，可以看到使用與不使用矩陣解碼器對發射機信道間巨大串擾的影響。左圖是一部分解調IQ星座圖，其中放大了一個導頻和一個數據符號點以顯示細節。在矩陣解碼器關閉時，如左上圖所示，由於其他發射信道會以-29dB 的相對電平耦合進這個測量中，因此數據星座圖中會有一個擴頻。這種高度的串擾將會導致2.9%的相對星座圖誤差（RCE）。僅這種串擾誤差已經足以使RCT達不到 WiMAX Wave 2波形的要求。本圖的右上角還顯示了相關的誤差矢量頻譜：OFDM誤差－子載波頻率關係圖。本測量圖是對系統中的定時誤差進行故障診斷的絕佳工具，下一實例也將使用此圖。

圖3下半部的圖形為啟用矩陣解碼器時的測量結果。矩陣解碼器可以使用四個（在2x2 MIMO中）信道估算來抵消串擾效應。在矩陣解碼器抵消串擾之後，RCE得以改善到小於 0.05%，誤差矢量頻率和數據星座圖均可反應出這種差異。注意，該導頻的星座圖點並不會受到串擾或矩陣解碼器的影響。導頻不會在時間和頻率上重疊，這樣導頻星座圖點就不會擴散，導頻就能用來測量兩個發射信道之間的串擾電平。

儘管在RCT 試中沒有使用，但矩陣解碼器仍是一個出色的故障診斷工具，能夠測量並去除串擾（串擾可能掩蓋其他信號減損）。例如，圖 4 所示矩陣解碼器是如何抵消串擾以揭示系統中出現的符號定時誤差。此前，上圖為具有29dB串擾電平的信號的星座圖和誤差矢量頻譜。在沒有使用矩陣解碼器之前，誤差頻譜主要由串擾決定，這使其很難看到波形中的定時誤差。在啟用矩陣解碼器時，測量中的串擾得以抵消，並能輕鬆觀察到定時誤差。在右下端的測量中，誤差頻譜顯示出我們熟悉的「V」型，那是符號定時誤差的特徵 [參考文獻4]。

信道頻率響應測量

均衡器和MIMO信道響應是表徵矩陣A和矩陣B波形的另外兩個有用的診斷工具。這些響應的幅度和形狀可在解調之前使用戶深入理解所接收波形的質量。例如眾所周知，MIMO系統在路徑眾多的環境中工作時，信道係數之間的相關性較低，從而接收機一端能夠更好地還原數據。反之，當信道係數之間的相關性較高時，系統性能就會迅速降低。圖5是兩個不同MIMO 信道測得信道係數的幅度，一個信道的係數相關性較高（左），另一個信道的係數相關性較低（右）。這兩個測量均啟用了矩陣解碼器。在高相關性實例中，這一對係數具有相同的複雜頻率響應，系統性能可能會降低。如下圖中的插圖所示，測得的64-QAM星座圖顯示出高度的信號失真。作為對比，右上角的測量顯示的是具有較低相關性的測得信道係數。在本例中，這些係數具有不同的頻率響應，從而導致了數據恢復過程的改進，這一點如圖中右下角的測量星座圖所示。

條件數

另一個非常有效的故障診斷工具是「MIMO 條件數」，它是通過對信道矩陣[H]進行特徵值分解，獲得每個子載波的最大奇數值與最小奇數值之比計算出來的。它能夠測量接收機中不合格的矩陣是什麼樣的。該比值常用對數標尺來顯示，狀態良好的矩陣的奇數值的理想比值為1 dB或0dB。作為綜合指南，當信號的條件數大於其信噪比時，矩陣解碼器將不能有效地區分信號，解調性能將會很差。這一點可在圖5中左下角的條件數響應中輕鬆看出。在這種情況下，條件數會接近或大於20dB，而且解調後的星座圖將會很差。與之相比，右圖所示的條件數通常低於10dB，相關的星座圖也有顯著改善。

無論WiMAX Wave 2系統是使用矩陣A配置還是使用矩陣B配置，通過充分利用無線環境中的大量多路徑特性，都能極大地提升系統性能。在這些系統的設計、故障診斷和優化過程中，多種雙信道測量可為這些系統的操作和性能提供必要的深入分析。

參考文獻

[1] WiMAX System Evaluation Methodology，2.1 版，2008 年 7 月 7 日。

[2] 安捷倫在線研討會，「WiMAX Wave 2 Testing - MIMO STC」，2008 年 1 月 17 日。

[3] 「Matrix A and B re-measured; Single channel measurements for WiMAX Wave 2 reduce the need for multi-channel analysis」，WiMAX 日報，2008 年6 月 18 日。

[4] Testing and Troubleshooting Digital RF Communications Transmitter Designs，安捷倫應用指南 1313，5968-3578E。