WiMAX Wave 2(MIMO/STC)的單信道測量

　　WiMAX Wave 2增加了空時編碼(STC)和多路輸入/多路輸出(MIMO)等多信道傳輸方案，通常人們認為，要想表征這些多信道傳輸?shù)男阅?，必須具有多信道分析能力。實際上，許多重要和有用的測量，例如信道隔離度和頻率響應(yīng)，以及大部分傳統(tǒng)射頻參數(shù)都可以使用單信道分析儀來完成。尤其是大量的導頻音和獨特的導頻結(jié)構(gòu)使許多單信道測量得以實現(xiàn)。
　　WiMAX Wave 2包括矩陣A(STC)和矩陣B(MIMO)兩種下行鏈路傳輸方案，分別適用于空間分集技術(shù)和空間多路復(fù)用技術(shù)。如圖1所示，矩陣A是一種2x1 STC天線分集技術(shù)，在基站(BS)端采用兩個發(fā)射數(shù)據(jù)路徑Tx0和Tx1，在用戶站(SS)端采用一個接收路徑Rx0。矩陣A方案用不同的編碼方式從兩個天線上發(fā)射每個數(shù)據(jù)符碼，可以提高(已知編碼方式的)接收機對困難條件下的信號進行正確解調(diào)的能力。

　　為了獲得更高的數(shù)據(jù)速率，WiMAX矩陣B在BS(基站)和SS(用戶站)兩端使用了兩個或多個收發(fā)信機來實施MIMO方案。以2x2的矩陣BMIMO結(jié)構(gòu)為例，要發(fā)射的數(shù)據(jù)流分流到兩個發(fā)射天線(同時工作在相同頻率)上。接收機端采用兩個(或分集方案中的多個)天線，而最終的信號是由四個有效信號路徑中的信號結(jié)合而成(如圖1所示)。雖然MIMO正常運行時需要一定程度的獨立性，但是在實際情況中，這四個信號路徑存在不同程度的相關(guān)性，這種相關(guān)性將隨著頻率或子載波發(fā)生變化。2x2MIMO系統(tǒng)進行信號處理的目的是要測量或表征4個傳輸路徑，然后“反過來”利用這種測量結(jié)果來分離兩個發(fā)射天線所發(fā)射的信號。上行鏈路(UL)也可以采用與MIMO相關(guān)的配置，其中單信道發(fā)射機會調(diào)整其發(fā)射方式，以適應(yīng)MIMO工作。

　　單信道和雙信道分析儀測量

　　單信道和雙信道分析儀可以提供對WiMAX矩陣A和矩陣B配置系統(tǒng)的各種重要測量。分析儀可以在射頻路徑(從發(fā)射機到接收機)的不同點上測量基本的射頻特征，例如頻率、功率和計時。與測量傳統(tǒng)的單信道系統(tǒng)一樣，分析儀只需直接連接到電路上(而不是使用天線)便可進行大部分測量。例如，使用直接與選定發(fā)射機輸出端相連的單信道分析儀，可對任何一個發(fā)射機單信道(通常稱為Tx0和Tx1)的質(zhì)量進行測量。雙信道分析儀無疑可以同時測量雙發(fā)射機信道的基本射頻特征，但是大部分情況下實際采用的方法是只改變測量連接并重復(fù)進行測量。

　　可能令人驚訝的是，直接連接的分析儀的單信道測量也可以用于測量基本的MIMO/STC參數(shù)，例如信道頻率響應(yīng)、信道間隔離度(串擾)，即使在兩個發(fā)射機信道都在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候。只有使用WiMAX中非重疊的導頻才有可能進行這種測量。

　　非重疊導頻

　　所有的STC和MIMO系統(tǒng)配置都是在能夠識別信道的SS(用戶站)上還原下行鏈路數(shù)據(jù)。使用分布在整個信道帶寬上的導頻載波，可以評估有效的傳輸信道(在矩陣A配置中建立兩種復(fù)雜的轉(zhuǎn)換函數(shù)模型，在2x2矩陣B配置中建立四種復(fù)雜的轉(zhuǎn)換函數(shù)模型)。與其他OFDM方案如IEEE802.11a/g/n(無線局域網(wǎng))相比，此方案的導頻數(shù)多出很多，而且導頻通常會針對每一個符碼改變頻率。使用這種方案的一個關(guān)鍵因素是，這兩個發(fā)射機每一個都只使用一半的可用導頻載波，而(在理想狀態(tài)下)不會在另一個發(fā)射機的導頻載波上發(fā)射能量。因此，導頻載波有時又稱為“無障礙”傳輸。另一方面，兩個發(fā)射機信道同時使用數(shù)據(jù)載波。

　　這種導頻結(jié)構(gòu)支持雙傳輸信道，其射頻特征通常用各自的導頻載波集表示，甚至可以使用單信道分析儀來進行分離和測量。對于既定符碼，分析儀只需知道預(yù)定的導頻載波集，就能解析和測量單獨的載波。

　　圖2顯示的是經(jīng)過簡化的雙信道發(fā)射機計時和子載波概念圖。圖中，當符碼時間為n+2時，第一個發(fā)射機Tx0依次發(fā)射一個導頻子載波、兩個數(shù)據(jù)子載波以及一個零子載波。與此同時，第二個發(fā)射機Tx1在相同的符碼時間內(nèi)依次發(fā)射一個零子載波、兩個數(shù)據(jù)子載波以及一個導頻子載波。在理想的情況下，一個發(fā)射機信道中的導頻子載波不會和其他信道中的任何頻率子載波發(fā)生重疊。如果兩個發(fā)射機信道之間存在某種程度的串擾現(xiàn)象，信號分析儀能夠通過在預(yù)期零子載波的時間和頻率上出現(xiàn)的導頻能量測出該串擾。

　　圖2還顯示了出現(xiàn)串擾現(xiàn)象時系統(tǒng)的子載波分布情況。在這個例子中，Tx1最左邊的零子載波在符碼時間n+2時的測量結(jié)果含有由Tx0串擾產(chǎn)生的導頻能量。這些非重疊導頻子載波提供了一種特殊的測量方法，可以確定兩個發(fā)射機信道之間的串擾程度。如圖2中所示，通過在Tx1上直接測量發(fā)射機輸出，就能確定Tx0的導頻泄漏；反之亦然。

　　跨信道測量示例

　　如上所述，WiMAX Wave 2信號的導頻結(jié)構(gòu)使工程師可以非常方便地對兩個發(fā)射機信道之間的串擾進行單端和單信道測量。圖3顯示了Agilent89600系列VSA軟件的“OFDMMIMO信息”表示的兩個測量示例。測試是通過將分析儀配置成單接收機Rx0(例如使用具有單信道頻譜/信號分析能力的軟件)并直接與發(fā)射機輸出端Tx0相連，然后對矩陣B信號進行測量來完成的。在這種情況下，單信道分析儀在Rx0端(預(yù)定導頻功率發(fā)射)測得的Tx0導頻功率(表格中的“導頻功率”行)為+15.6dBm，在Rx0端(由于串擾而發(fā)射的偶然導頻功率)測得Tx1導頻功率為-25.4dBm。這些測得功率的差值就是相關(guān)串擾的測量結(jié)果，約為-41dB。圖3還顯示了另一個示例：從Tx1導頻功率測量值中計算得出的29dB串擾現(xiàn)在為-13.4dBm；Tx0導頻功率沒有發(fā)生改變，還是以前的+15.6dBm。如果分析儀直接與第二個發(fā)射機Tx1相連，反過來測量Tx0導頻功率，將會獲得相似的結(jié)果。需注意分析儀知道哪些發(fā)射機應(yīng)在特殊的符碼時間里在任意給定子載波上發(fā)送導頻能量。同樣需要注意的是，當使用第二個分析儀信道時，針對其他Tx/Rx組合(此處只顯示一個“Tx-/Rx-”)的附加表格欄將顯示可用。

圖3 使用單個分析儀信道測量串擾或信道隔離度

　　發(fā)射機信道間的串擾結(jié)果是在WiMAX波形的解調(diào)IQ星座圖中出現(xiàn)了一個與眾不同的碼型，在發(fā)射機輸出端直接測量時尤其明顯。由于兩個發(fā)射機信道(這里指個別OFDM子載波)在時間上是一致的，在頻率和相位上也有關(guān)系，因此當一個發(fā)射機信道和另一個信道發(fā)生耦合時，數(shù)據(jù)子載波將相應(yīng)地增加。

　　為了檢查這種效果，可以對以上例子中的兩個相同的信號進行測量。在串擾較低的條件下(如圖4所示的相鄰信道隔離度為41dB的情況)，星座圖像預(yù)期的一樣，包括分別為16-QAM和BPSK制式的數(shù)據(jù)子載波和導頻子載波。當串擾增加(隔離度降低)至29dB時，數(shù)據(jù)子載波在星座圖中的點呈現(xiàn)明顯的擴散，而泄漏信號相應(yīng)地增加。測量結(jié)果是在每個預(yù)期星座圖點位置上出現(xiàn)更小的16-QAM星座圖。對于兩個激活發(fā)射機信道之間存在串擾的STC和MIMO信號來說，這種“星座圖中的星座圖”實際上是獨一無二的(尤其當微型星座圖呈直立狀態(tài)并保持穩(wěn)定時更是如此)。

　　這種I/Q測量結(jié)果和在OFDM系統(tǒng)中觀察到的大部分減損大為不同。在OFDM系統(tǒng)中，由于不同的信號減損，星座圖通常呈一種隨機狀態(tài)分布。在這些星座圖中還可以清楚地看到WIMAXOFDMA中的STC/MIMO信號與眾不同的特性：串擾并不會使BPSK導頻的符碼位置發(fā)生顯著變化(如星座圖中白色區(qū)域所示)，這是因為這些子載波已經(jīng)被設(shè)計成不發(fā)生重疊。

　　分析儀也可以使用天線而不是直接連接發(fā)射機來執(zhí)行單信道測量。這種方法可用來對一些發(fā)射信道效果進行檢驗，以及分析分集方案的性能。對于矩陣A配置(如圖1所示)，系統(tǒng)性能與從每個發(fā)射機接收到的信號通過信道傳輸之后的功率大小相關(guān)。理想的情況下，在接收機輸入端(Rx0)測得的每個發(fā)射機Tx0和Tx1的導頻功率結(jié)果應(yīng)該大致相等。換句話說，如果從一個發(fā)射機接收到的功率非常低的話，信道可能無法提供足夠的空間分集，而且總體系統(tǒng)性能可能會下降到單路輸入/單路輸出(SISO)配置的水平。這種測量導頻的單信道方法也可用于具有穩(wěn)定傳輸信道的矩陣BMIMO配置，在每個接收機天線上連續(xù)進行測量。

　　頻率響應(yīng)的單信道測量

　　利用數(shù)量眾多的導頻及其互不重疊的結(jié)構(gòu)，可以用一臺單信道分析儀(要求能夠確定與特殊導頻相關(guān)的發(fā)射機信道)非常簡便地測量發(fā)射機和/或信道頻率響應(yīng)。分析儀上顯示的頻率響應(yīng)可以為發(fā)射機的特性或信道問題提供有用的分析。被測量的頻率響應(yīng)與載波數(shù)量呈線性相關(guān)，而且通常被顯示在振幅、相位或群延遲中。

　　要測量Tx0，可以將分析儀直接連接到Tx0，Tx0發(fā)射前導信號，用于信道均衡和同步。要測量(雙發(fā)射機系統(tǒng)中的)兩個信道，可以通過功率組合器將兩個發(fā)射機輸出直接連接到分析儀，使用分析儀的“使用Tx天線”設(shè)置來指定預(yù)定信道的導頻，以用于計算頻率響應(yīng)。

　　非重疊導頻所傳輸?shù)男畔⒎€(wěn)健性，可以通過單信道分析儀(只直接連接到Tx，不使用功率組合器)能否測量兩個發(fā)射機在某些情況下的頻率響應(yīng)來驗證。關(guān)鍵在于利用信道之間的串擾。串擾在Tx0信號(Tx0與單一分析儀輸入端相連)上提供可測量的Tx1導頻能量。借助(通過“使用Tx天線”設(shè)置)配置成只使用Tx1導頻的分析儀，可以獲得Tx1頻率響應(yīng)結(jié)果，如圖5所示。請注意Tx1和Tx0的頻率響應(yīng)非常相似，但是由于Tx0給Tx1帶來的有限數(shù)量的能量(在本例中為-41dB的串擾)，因此Tx1的測量結(jié)果包含相當多的噪聲。

　　結(jié)論

　　STC和MIMO多發(fā)射機技術(shù)能夠大幅度改善某些環(huán)境下的系統(tǒng)性能，但它們的多信道特性也為設(shè)計工程師帶來了特殊的挑戰(zhàn)。盡管信號具有多信道特性，但是借助單信道分析儀仍然可以進行大量重要和實用的測量。該分析儀可以利用MIMOOFDMA信號的特性，甚至某些情況下可以利用信號減損(如串擾)來進行測量。