WiMAX Wave 2(MIMO/STC)的单信道测量

作者：安捷伦科技公司 Ben Zarlingo 时间：2008-09-22来源：中电网收藏

　　WiMAX Wave 2增加了空时编码(STC)和多路输入/多路输出(MIMO)等多信道传输方案，通常人们认为，要想表征这些多信道传输的性能，必须具有多信道分析能力。实际上，许多重要和有用的测量，例如信道隔离度和频率响应，以及大部分传统射频参数都可以使用单信道分析仪来完成。尤其是大量的导频音和独特的导频结构使许多单信道测量得以实现。
　　WiMAX Wave 2包括矩阵A(STC)和矩阵B(MIMO)两种下行链路传输方案，分别适用于空间分集技术和空间多路复用技术。如图1所示，矩阵A是一种2x1 STC天线分集技术，在基站(BS)端采用两个发射数据路径Tx0和Tx1，在用户站(SS)端采用一个接收路径Rx0。矩阵A方案用不同的编码方式从两个天线上发射每个数据符码，可以提高(已知编码方式的)接收机对困难条件下的信号进行正确解调的能力。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/88234.htm

　　为了获得更高的数据速率，WiMAX矩阵B在BS(基站)和SS(用户站)两端使用了两个或多个收发信机来实施MIMO方案。以2x2的矩阵BMIMO结构为例，要发射的数据流分流到两个发射天线(同时工作在相同频率)上。接收机端采用两个(或分集方案中的多个)天线，而最终的信号是由四个有效信号路径中的信号结合而成(如图1所示)。虽然MIMO正常运行时需要一定程度的独立性，但是在实际情况中，这四个信号路径存在不同程度的相关性，这种相关性将随着频率或子载波发生变化。2x2MIMO系统进行信号处理的目的是要测量或表征4个传输路径，然后“反过来”利用这种测量结果来分离两个发射天线所发射的信号。上行链路(UL)也可以采用与MIMO相关的配置，其中单信道发射机会调整其发射方式，以适应MIMO工作。

　　单信道和双信道分析仪测量

　　单信道和双信道分析仪可以提供对WiMAX矩阵A和矩阵B配置系统的各种重要测量。分析仪可以在射频路径(从发射机到接收机)的不同点上测量基本的射频特征，例如频率、功率和计时。与测量传统的单信道系统一样，分析仪只需直接连接到电路上(而不是使用天线)便可进行大部分测量。例如，使用直接与选定发射机输出端相连的单信道分析仪，可对任何一个发射机单信道(通常称为Tx0和Tx1)的质量进行测量。双信道分析仪无疑可以同时测量双发射机信道的基本射频特征，但是大部分情况下实际采用的方法是只改变测量连接并重复进行测量。

　　可能令人惊讶的是，直接连接的分析仪的单信道测量也可以用于测量基本的MIMO/STC参数，例如信道频率响应、信道间隔离度(串扰)，即使在两个发射机信道都在发送数据的时候。只有使用WiMAX中非重叠的导频才有可能进行这种测量。

　　非重叠导频

　　所有的STC和MIMO系统配置都是在能够识别信道的SS(用户站)上还原下行链路数据。使用分布在整个信道带宽上的导频载波，可以评估有效的传输信道(在矩阵A配置中建立两种复杂的转换函数模型，在2x2矩阵B配置中建立四种复杂的转换函数模型)。与其他OFDM方案如IEEE802.11a/g/n(无线局域网)相比，此方案的导频数多出很多，而且导频通常会针对每一个符码改变频率。使用这种方案的一个关键因素是，这两个发射机每一个都只使用一半的可用导频载波，而(在理想状态下)不会在另一个发射机的导频载波上发射能量。因此，导频载波有时又称为“无障碍”传输。另一方面，两个发射机信道同时使用数据载波。

　　这种导频结构支持双传输信道，其射频特征通常用各自的导频载波集表示，甚至可以使用单信道分析仪来进行分离和测量。对于既定符码，分析仪只需知道预定的导频载波集，就能解析和测量单独的载波。

　　图2显示的是经过简化的双信道发射机计时和子载波概念图。图中，当符码时间为n+2时，第一个发射机Tx0依次发射一个导频子载波、两个数据子载波以及一个零子载波。与此同时，第二个发射机Tx1在相同的符码时间内依次发射一个零子载波、两个数据子载波以及一个导频子载波。在理想的情况下，一个发射机信道中的导频子载波不会和其他信道中的任何频率子载波发生重叠。如果两个发射机信道之间存在某种程度的串扰现象，信号分析仪能够通过在预期零子载波的时间和频率上出现的导频能量测出该串扰。

　　图2还显示了出现串扰现象时系统的子载波分布情况。在这个例子中，Tx1最左边的零子载波在符码时间n+2时的测量结果含有由Tx0串扰产生的导频能量。这些非重叠导频子载波提供了一种特殊的测量方法，可以确定两个发射机信道之间的串扰程度。如图2中所示，通过在Tx1上直接测量发射机输出，就能确定Tx0的导频泄漏；反之亦然。

　　跨信道测量示例

　　如上所述，WiMAX Wave 2信号的导频结构使工程师可以非常方便地对两个发射机信道之间的串扰进行单端和单信道测量。图3显示了Agilent89600系列VSA软件的“OFDMMIMO信息”表示的两个测量示例。测试是通过将分析仪配置成单接收机Rx0(例如使用具有单信道频谱/信号分析能力的软件)并直接与发射机输出端Tx0相连，然后对矩阵B信号进行测量来完成的。在这种情况下，单信道分析仪在Rx0端(预定导频功率发射)测得的Tx0导频功率(表格中的“导频功率”行)为+15.6dBm，在Rx0端(由于串扰而发射的偶然导频功率)测得Tx1导频功率为-25.4dBm。这些测得功率的差值就是相关串扰的测量结果，约为-41dB。图3还显示了另一个示例：从Tx1导频功率测量值中计算得出的29dB串扰现在为-13.4dBm；Tx0导频功率没有发生改变，还是以前的+15.6dBm。如果分析仪直接与第二个发射机Tx1相连，反过来测量Tx0导频功率，将会获得相似的结果。需注意分析仪知道哪些发射机应在特殊的符码时间里在任意给定子载波上发送导频能量。同样需要注意的是，当使用第二个分析仪信道时，针对其他Tx/Rx组合(此处只显示一个“Tx-/Rx-”)的附加表格栏将显示可用。

图3 使用单个分析仪信道测量串扰或信道隔离度

　　发射机信道间的串扰结果是在WiMAX波形的解调IQ星座图中出现了一个与众不同的码型，在发射机输出端直接测量时尤其明显。由于两个发射机信道(这里指个别OFDM子载波)在时间上是一致的，在频率和相位上也有关系，因此当一个发射机信道和另一个信道发生耦合时，数据子载波将相应地增加。

　　为了检查这种效果，可以对以上例子中的两个相同的信号进行测量。在串扰较低的条件下(如图4所示的相邻信道隔离度为41dB的情况)，星座图像预期的一样，包括分别为16-QAM和BPSK制式的数据子载波和导频子载波。当串扰增加(隔离度降低)至29dB时，数据子载波在星座图中的点呈现明显的扩散，而泄漏信号相应地增加。测量结果是在每个预期星座图点位置上出现更小的16-QAM星座图。对于两个激活发射机信道之间存在串扰的STC和MIMO信号来说，这种“星座图中的星座图”实际上是独一无二的(尤其当微型星座图呈直立状态并保持稳定时更是如此)。

　　这种I/Q测量结果和在OFDM系统中观察到的大部分减损大为不同。在OFDM系统中，由于不同的信号减损，星座图通常呈一种随机状态分布。在这些星座图中还可以清楚地看到WIMAXOFDMA中的STC/MIMO信号与众不同的特性：串扰并不会使BPSK导频的符码位置发生显著变化(如星座图中白色区域所示)，这是因为这些子载波已经被设计成不发生重叠。

　　分析仪也可以使用天线而不是直接连接发射机来执行单信道测量。这种方法可用来对一些发射信道效果进行检验，以及分析分集方案的性能。对于矩阵A配置(如图1所示)，系统性能与从每个发射机接收到的信号通过信道传输之后的功率大小相关。理想的情况下，在接收机输入端(Rx0)测得的每个发射机Tx0和Tx1的导频功率结果应该大致相等。换句话说，如果从一个发射机接收到的功率非常低的话，信道可能无法提供足够的空间分集，而且总体系统性能可能会下降到单路输入/单路输出(SISO)配置的水平。这种测量导频的单信道方法也可用于具有稳定传输信道的矩阵BMIMO配置，在每个接收机天线上连续进行测量。

　　频率响应的单信道测量

　　利用数量众多的导频及其互不重叠的结构，可以用一台单信道分析仪(要求能够确定与特殊导频相关的发射机信道)非常简便地测量发射机和/或信道频率响应。分析仪上显示的频率响应可以为发射机的特性或信道问题提供有用的分析。被测量的频率响应与载波数量呈线性相关，而且通常被显示在振幅、相位或群延迟中。

　　要测量Tx0，可以将分析仪直接连接到Tx0，Tx0发射前导信号，用于信道均衡和同步。要测量(双发射机系统中的)两个信道，可以通过功率组合器将两个发射机输出直接连接到分析仪，使用分析仪的“使用Tx天线”设置来指定预定信道的导频，以用于计算频率响应。

　　非重叠导频所传输的信息稳健性，可以通过单信道分析仪(只直接连接到Tx，不使用功率组合器)能否测量两个发射机在某些情况下的频率响应来验证。关键在于利用信道之间的串扰。串扰在Tx0信号(Tx0与单一分析仪输入端相连)上提供可测量的Tx1导频能量。借助(通过“使用Tx天线”设置)配置成只使用Tx1导频的分析仪，可以获得Tx1频率响应结果，如图5所示。请注意Tx1和Tx0的频率响应非常相似，但是由于Tx0给Tx1带来的有限数量的能量(在本例中为-41dB的串扰)，因此Tx1的测量结果包含相当多的噪声。