导言

有限的带宽和不断添加的新的无线服务的需求为通讯范畴新技能的选用拓荒了路途，这些非传统技能有用进步了数据容量。新选用的这些技能中的一种便是运用多天线规划的多输入、多输出（MIMO）体系架构。MIMO运用了发送和接纳天线之间的空间分集技能——由信号式微和多径环境引起的多信号途径发生——来添加数据吞吐量而无须额定的添加带宽。但比较传统的单流架构MIMO，体系杂乱度添加了许多，带来了更大的测验应战，需求共同的设备和测验办法。

本文介绍了MIMO丈量的不同品种，包含噪声和搅扰关于信道的危害，并供给一些图片示例便利咱们关于丈量成果的了解。

关于新近的无线通讯规范，高数据吞吐量是最根本的要求，这些新规范MIMO都有参加，包含IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移动WiMAX Wave 2和3GPP长时刻演进（LTE）。这些新体系都结合了MIMO和OFDM或许OFDMA（正交频分多址接入）的选用，来完成在不添加信道带宽的前提下添加数据吞吐量。

SISO与MIMO比较

在传统的单输入、单输出（SISO）通讯体系中（如图1a所示），例如，传统的IEEE 802.11a/b/g无线局域网络（WLAN）体系，一个无线链路选用了单发射器和单接纳器。或许会在每个通讯链路终端上选用多个天线，但在同一时刻只要一套天线被选用，并只要一个载波传输单流的数据。在抱负的通讯信道中，无线信号从发射器到接纳器只经过单一途径传输，但无线信道中的障碍物（比方楼宇和各种地势）和移动影响发生了多径效应，因而，接纳器会接纳到多个信号。反射的信号由于比较直接传输的信号传达途径更长，会遭到衰减和推迟的影响。由于传输途径的不同，这些反射信号的相位也各不相同。因而，接纳机信号的重建面对难度，会形成接纳信号强度的动摇。较强的多径效应会下降吞吐量或许形成数据丢掉。

图1 传统的SISO架构的无线信号链路（a），选用一对天线在同一时刻进行发射和接纳而MIMO体系（b）一起选用多信号和多天线

由于在指定通讯信道中，OFDM一般与MIMO进行组合来增强数据吞吐量，所以在评论MIMO概念之前了解OFDM是十分重要的。例如，OFDM在IEEE 802.11g (Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX体系中得到了选用。在MIMO的基础上，选用OFDM能够进一步进步数据吞吐量，而无须添加带宽或改动调制阶数——比方从16QAM变成64QAM体系。

选用OFDM调制的无线信号本质上是由一系列互相正交的子载波构成的，这些子载波互相形成了***的阻隔，因而一个调制后的子载波处于***功率时，其接近调制后子载波正好处于过零点或功率最小处，而一些子载波作为维护频带来完成阻隔并避免接近信道搅扰。为了增强鲁棒性，许多通讯规范选用的OFDM选用了小衰减距离，让多路信号重量随时刻衰减，这样这些信号就不会对下一个接纳机收到的传输符号发生搅扰。

经过选用反向傅里叶变换对OFDM的子载波进行数字信号处理，可将其结合到一个信号流里边传输并可恢恢复信号。由于保存多流信号的相对相位和频率联系，这些信号流就能够并行的在单一信道传输，所以就能够完成在不添加带宽的前提下进步数据吞吐量。

与SISO通讯体系比较，MIMO体系（图1b）一起选用多无线信号和多天线，多个数据流在同一通讯信道传输。这些多路的数据流由媒体接入操控（MAC）层在通讯链路两头进行和谐。MIMO体系不需求天线的对称摆放，例如，两个发射要装备两个接纳（2×2）或许四个发射要装备四个接纳（4×4），能够进行“不平衡”装备，例如四个发射装备三个接纳的4×3装备。

要添加SISO体系的数据吞吐量，需求更为杂乱的调制办法，或许添加带宽，或进行两者的结合。加倍SISO体系吞吐量最简略的办法是将带宽加倍。要添加MIMO体系的吞吐量，发射器、接纳器和相应天线的数量需求添加。经过选用多天线和信号传达途径的空间多路技能，MIMO体系能够在不添加信道带宽的前提下添加大约3.5倍的吞吐量。

MIMO体系运用接纳信号的改动来添加数据吞吐量，接纳到的信号被看作不知道信号（发送的符号）的联立方程。多路信号途径的多样性改动让这些联立方程处理的愈加简略，并进步了吞吐量。

SISO的信道容量与MIMO体系比较怎么呢？香农规律指明晰SISO通讯体系的信道吞吐量为

C=BLog2(1+S/N) 

式中：C为信道容量（单位b/s）,B为信道带宽（单位Hz）,S为带宽上总的信号功率（单位W或许V2）,N为带宽上总的噪声功率（单位W或许V2）。当该公式用于MIMO使用时：

C=ABlog2(1+S/N) 

式中：A为发射天线的数量。

该等式指出了MIMO体系中发射天线数量与信道容量的直接联系。一个MIMO体系在同一物理信道上运用空间复用技能用多天线传输多路数据流，数据流在不改动符号速率的状况下在多个发射机上进行发送。经过添加更多的发射机和发射天线，体系的吞吐量在带宽不变的状况下得到进步。

为MIMO体系建模有必要考虑多数据流的数量，包含抵达接纳机的直接和反射信号。依照传统的办法，将发射器别离表明为Tx1，Tx2，…，Txn，将接纳机表明为Rx1，Rx2，…，Rxn，一个MIMO通讯体系可由一个矩阵信号向量hxy的方式表明，其间x表明发射机的数量，y表明接纳机的数量。例如，h21表明两个发射机和一个接纳机，而h22表明两个发射机和两个接纳机（如图2所示）。经过这种办法，一个MIMO信道能够这样建模：

y=H*x+n

式中：y为接纳信号向量，H为信道矩阵(hxy信号元素)，x为发射信号向量，n为噪声向量。

图2 MIMO体系中的无线信道可由一系列不同的向量来表明

不同的信道对接纳信号发生影响，例如，衰减和多经影响，可由相同的代数方程纠正，联系式为

Rx=H*Tx+n

式中：Rx表明接纳天线的Rx1，Rx2，…，Rxn矩阵，Tx表明发射天线的Tx1,Tx2，…，Txn矩阵。关于一个2×2 MIMO体系，联系如图2的矩阵。

这些联系式中的信号包含幅段、频率和相位重量，所以用向量表明很有用。简略而言，在一个丈量体系顶用向量来表明这些信号也很有用。 #p#

丈量应战

MIMO技能在数据吞吐量上的进步，添加了体系杂乱性，为评价MIMO体系和体系中元器材的测验和丈量设备带来新的规划应战。在决议***的MIMO丈量仪器之前，或许有必要先确认一个描绘MIMO通讯信道功用的丈量类型。MIMO丈量一般能够分为体系级丈量、信道呼应丈量和MIMO体系中运用的元器材的功用性丈量。

现已说明晰MIMO信号由频率、起伏和相应的相位重量界说，对MIMO信号的丈量有必要对以上三个信号特征重量进行准确和实在的测定。别的MIMO体系一般是根据对接纳信号进行零中频(zero-IF)下变频到基带I、Q信号重量的体系。要得到高的调制精度，有必要坚持I、Q信号重量的保真度，这需求信号途径全部的部件具有高功用和低失真，包含扩大器、滤波器、混频器、I/Q调制和解调器等部件。

在许多无线体系中，差错向量起伏(EVM)是评价功用的规范参数，并在MIMO体系中广泛选用。EVM，一般被认为是接纳信号星座图的差错(RCE)，由于在星座图中RCE得到了直观的显现，RCE实践上便是抱负信号和丈量信号的向量差，并能够作为MIMO发射机调制精度和信号质量和接纳机功用的直接丈量。EVM丈量捕获了信号起伏和相位差错并将界说传输的RF信号失真的许多参数削减到一个参数，答应各个发射机之间的比较。其他重要的MIMO发射机测验包含群延时的评价和群延时的改动，相位噪声，扩大紧缩和信号处理中重量的I/Q失配。由以上要素引起的信号失真一般都能够经过星座图上的EVM看出来。

在星座图EVM中，关于抱负的信号，全部星座点应该与抱负的方位准确重合。但信号和重量并不***，比如相位噪声和载波走漏等要素会让星座图上的星座点从抱负方位偏移。EVM便是这个偏移的丈量，除了全体EVM作为MIMO体系测验参数，EVM作为频率和EVM作为时刻功用也能供给MIMO发射机功用的剖析。别的，EVM显现的载波和符号的比照能够供给MIMO发射机功用的进一步细节。

星座图EVM上准确的点的定位显现了一个优异的MIMO体系的功用。在一个选用OFDM和64QAM的2×2 MIMO体系中，选用色彩来差异不同的发射机信号和导频载波。在图3所示的星座图中，红点和蓝点表明晰2×2 MIMO体系中的两路信号，Tx0和Tx1，它们掩盖在白点上，白点代表了子载波抱负的方位。黄点代表了导频载波，与表明抱负导频载波的白点重合。

图3 EVM星座图供给潜在MIMO体系问题的示意图，这些问题包含噪声（含糊的圆点），I/O不平衡（偏移的圆点）和相位噪声（圆点变成了圆环）

这样的色彩界说的图表让发射信号问题的定位十分简略。例如，赤色或蓝色的子载波星座点假如从抱负的白色点偏移就表明I/Q不平衡，而星座点出现含糊则表明传输信号有噪声，星座点出现圆环状则意味着过多的相位噪声。

与更为常见的X-Y坐标图一起，信道的一系列丈量显现了MIMO体系中相对子载波的标图矩阵和信号矩阵的健康程度。图4中对信道翻转和符号传输的体系才能的丈量，能够用来确认MIMO体系中各个信号流的正交性。经过传输回转的符号，体系的掩盖功用够得到剖析，经过传输并行的符号，体系吞吐量能够得到评价。

图4 X-Y图示表明晰MIMO信道子载波的正交性，标明了子载波的状况

信道呼应丈量显现了子载波的平整度，这是子载波。例如一个IEEE 802.16e OFDM信道上的丈量（如图5所示），绿色的轨道显现了信号从***个发射机（Tx0）到***个接纳机（Rx0）的功率；上面的赤色轨道显现了信号从第二个发射机（Tx1）到第二个接纳机（Rx1）的功率；蓝色轨道显现了信号从***个发射机（Tx0）到第二个接纳机（Rx1）的功率；下面的赤色轨道显现了信号从第二个发射机（Tx1）到***个接纳机（Rx0）的功率。对应子载波的功率电平指出了信道平整度，首要信号和直接信号的差异显现了信道阻隔（图例中小于40dB）。这些丈量经过直接将发射机和接纳机用同轴电缆衔接来进行。

图5经过直接衔接MIMO的发射机和接纳机，可评价信道平整度和信道阻隔度，示例中为一个2×2 MIMO体系

一系列针对时域和频域的丈量能够显现出MIMO功用在不同的状况下会改动。例如，对应OFDM符号时刻的EVM丈量能够指出跟着时刻改动的搅扰问题或功用改动。对应子载波的EVM丈量能够用来剖析带内噪声效应，例如，假信号。针对OFDM符号时刻的功率丈量可别离出带内起伏误差。针对OFDM符号时刻的频率丈量能够用来查看频率精度，别离出一个信息包内一段时刻的频率漂移问题。

硬件结构

针对MIMO丈量的测验体系有必要准确地模仿MIMO体系的作业，能够发生需求的信号频率、起伏和相位，能够在测验设备（DUT）中捕获和剖析信号。测验体系有必要支撑选用的调制格局，并支撑测验中的全部调制带宽。关于测验信号发生进程，一个恣意波形发生器或许矢量信号发生器（VSG）需求供给对发生实践测验信号的操控，而一台矢量信号剖析仪（VSA）能够作为测验接纳机。为MIMO体系规划的全部测验体系应该能供给配对发射机和接纳机数量需求的测验信号源数量和信号剖析仪数量，还应该能满意今后的晋级需求。例如，吉时利公司供给的MIMO测验体系可从单一VSG和VSA晋级到8×8信道体系，并能够灵敏的对信号源和剖析仪在那个规模里边进行装备。

假如多个信号源和剖析仪的同步是MIMO丈量中最根本的，那么这些仪器还需求一个一般的参阅示波器。例如，在图6所示的吉时利公司(www.keithley.com)的2×2 MIMO丈量体系中，VSA和VSG设备需求专门的同步组件。这些组件供给一些通用的信号，例如，本地振动、通用时钟和准确触发，供给低的采样和RF载波相位颤动，这关于OFDM MIMO信号的准确和可重复丈量是十分必要的。特别的，同步组件供给低于1°的峰峰值颤动。

图6 这个MIMO测验体系根据多通道向量信号发生器（VSG），向量信号剖析仪（VSA），和由计算机操控作业的同步组件和客户定制丈量软件

MIMO测验体系的有用和简略运用也要一起依托体系的测验软件。跟着MIMO技能在无线通讯体系中的不断选用，有用测验软件(off-the-shelf test software)在简略化体系和信道丈量中得到遍及选用。例如，吉时利公司的SignalMeisterRF通讯测验工具包软件Model 290101，供给了比如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO使用的杂乱信号发生和信号剖析才能。这个软件包与吉时利公司的VSG、VSA和MIMO同步组件无缝合作，为杂乱的通讯体系组建了一个完好的丈量体系。除了EVM和MIMO信道呼应丈量，该软件还能够应对SISO体系的评价。

咱们现在评论的测验和丈量能够用来评价抱负状态下MIMO通讯体系和体系中元器材的功用。不过在信号较弱的状况下MIMO体系的体现又该怎么呢？在这种状况下，需求不同品种的测验类型，例如，信道模仿器。它供给了在信道削弱景象下MIMO体系和元器材的剖析办法，这些削弱包含信号衰减、高斯白噪声(AWGN)、信道串扰、乃至多普勒效应——一般由车内通讯终端针对基站的移动发生。

信道模仿器有必要作为MIMO体系中的发射机和接纳机，还有必要具有削弱信号和添加延时等模仿实在国际环境的才能。一个合格的信道模仿器还供给软件界说无线电模组，例如，WiMAX中的ITU M.122***和B。一个有用的信道模仿器有必要逾越被测体系的功用，并供给需求时用于出产测验的才能。模仿器还需求具有双向功用，这样既能够供给上行链路测验还能供给下行测验。经过别的供给互易校准测验（calibrated reciprocal tests），模仿器关于选用波束成形技能的MIMO体系测验十分有用。***，虽然本文举的比如是针对2×2 MIMO体系的，但一个有用的信道模仿器还能支撑4×4 MIMO体系，来完成各种MIMO体系的完好支撑。例如，Azimuth体系公司(www.azimuthsystems.com)的ACE 400WB信道模仿器便是一个支撑4×4 MIMO体系测验的双向组件。