WiMAX Wave 2(MIMO/STC)的單信道測量

　　WiMAX Wave 2增加了空時(shí)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(rèn)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。?shí)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(dǎo)頻音和獨(dú)特的導(dǎo)頻結(jié)構(gòu)使許多單信道測量得以實(shí)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(gè)發(fā)射數(shù)據(jù)路徑Tx0和Tx1，在用戶站(SS)端采用一個(gè)接收路徑Rx0。矩陣A方案用不同的編碼方式從兩個(gè)天線上發(fā)射每個(gè)數(shù)據(jù)符碼，可以提高(已知編碼方式的)接收機(jī)對困難條件下的信號進(jìn)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(gè)或多個(gè)收發(fā)信機(jī)來實(shí)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(gè)發(fā)射天線(同時(shí)工作在相同頻率)上。接收機(jī)端采用兩個(gè)(或分集方案中的多個(gè))天線，而最終的信號是由四個(gè)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(yùn)行時(shí)需要一定程度的獨(dú)立性，但是在實(shí)際情況中，這四個(gè)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(jìn)行信號處理的目的是要測量或表征4個(gè)傳輸路徑，然后“反過來”利用這種測量結(jié)果來分離兩個(gè)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(jī)會(huì)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(jī)到接收機(jī))的不同點(diǎn)上測量基本的射頻特征，例如頻率、功率和計(jì)時(shí)。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(jìn)行大部分測量。例如，使用直接與選定發(fā)射機(jī)輸出端相連的單信道分析儀，可對任何一個(gè)發(fā)射機(jī)單信道(通常稱為Tx0和Tx1)的質(zhì)量進(jìn)行測量。雙信道分析儀無疑可以同時(shí)測量雙發(fā)射機(jī)信道的基本射頻特征，但是大部分情況下實(shí)際采用的方法是只改變測量連接并重復(fù)進(jìn)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?dāng)_)，即使在兩個(gè)發(fā)射機(jī)信道都在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候。只有使用WiMAX中非重疊的導(dǎo)頻才有可能進(jìn)行這種測量。

　　非重疊導(dǎo)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(gè)信道帶寬上的導(dǎo)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(dǎo)頻數(shù)多出很多，而且導(dǎo)頻通常會(huì)針對每一個(gè)符碼改變頻率。使用這種方案的一個(gè)關(guān)鍵因素是，這兩個(gè)發(fā)射機(jī)每一個(gè)都只使用一半的可用導(dǎo)頻載波，而(在理想狀態(tài)下)不會(huì)在另一個(gè)發(fā)射機(jī)的導(dǎo)頻載波上發(fā)射能量。因此，導(dǎo)頻載波有時(shí)又稱為“無障礙”傳輸。另一方面，兩個(gè)發(fā)射機(jī)信道同時(shí)使用數(shù)據(jù)載波。

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

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

　　圖2還顯示了出現(xiàn)串?dāng)_現(xiàn)象時(shí)系統(tǒng)的子載波分布情況。在這個(gè)例子中，Tx1最左邊的零子載波在符碼時(shí)間n+2時(shí)的測量結(jié)果含有由Tx0串?dāng)_產(chǎn)生的導(dǎo)頻能量。這些非重疊導(dǎo)頻子載波提供了一種特殊的測量方法，可以確定兩個(gè)發(fā)射機(jī)信道之間的串?dāng)_程度。如圖2中所示，通過在Tx1上直接測量發(fā)射機(jī)輸出，就能確定Tx0的導(dǎo)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(dǎo)頻結(jié)構(gòu)使工程師可以非常方便地對兩個(gè)發(fā)射機(jī)信道之間的串?dāng)_進(jìn)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(gè)測量示例。測試是通過將分析儀配置成單接收機(jī)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(jī)輸出端Tx0相連，然后對矩陣B信號進(jìn)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(dǎo)頻功率發(fā)射)測得的Tx0導(dǎo)頻功率(表格中的“導(dǎo)頻功率”行)為+15.6dBm，在Rx0端(由于串?dāng)_而發(fā)射的偶然導(dǎo)頻功率)測得Tx1導(dǎo)頻功率為-25.4dBm。這些測得功率的差值就是相關(guān)串?dāng)_的測量結(jié)果，約為-41dB。圖3還顯示了另一個(gè)示例：從Tx1導(dǎo)頻功率測量值中計(jì)算得出的29dB串?dāng)_現(xiàn)在為-13.4dBm；Tx0導(dǎo)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(gè)發(fā)射機(jī)Tx1相連，反過來測量Tx0導(dǎo)頻功率，將會(huì)獲得相似的結(jié)果。需注意分析儀知道哪些發(fā)射機(jī)應(yīng)在特殊的符碼時(shí)間里在任意給定子載波上發(fā)送導(dǎo)頻能量。同樣需要注意的是，當(dāng)使用第二個(gè)分析儀信道時(shí)，針對其他Tx/Rx組合(此處只顯示一個(gè)“Tx-/Rx-”)的附加表格欄將顯示可用。

圖3 使用單個(gè)分析儀信道測量串?dāng)_或信道隔離度

　　發(fā)射機(jī)信道間的串?dāng)_結(jié)果是在WiMAX波形的解調(diào)IQ星座圖中出現(xiàn)了一個(gè)與眾不同的碼型，在發(fā)射機(jī)輸出端直接測量時(shí)尤其明顯。由于兩個(gè)發(fā)射機(jī)信道(這里指個(gè)別OFDM子載波)在時(shí)間上是一致的，在頻率和相位上也有關(guān)系，因此當(dāng)一個(gè)發(fā)射機(jī)信道和另一個(gè)信道發(fā)生耦合時(shí)，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(gè)相同的信號進(jìn)行測量。在串?dāng)_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(dǎo)頻子載波。當(dāng)串?dāng)_增加(隔離度降低)至29dB時(shí)，數(shù)據(jù)子載波在星座圖中的點(diǎn)呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)散，而泄漏信號相應(yīng)地增加。測量結(jié)果是在每個(gè)預(yù)期星座圖點(diǎn)位置上出現(xiàn)更小的16-QAM星座圖。對于兩個(gè)激活發(fā)射機(jī)信道之間存在串?dāng)_的STC和MIMO信號來說，這種“星座圖中的星座圖”實(shí)際上是獨(dú)一無二的(尤其當(dāng)微型星座圖呈直立狀態(tài)并保持穩(wěn)定時(shí)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(jī)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?dāng)_并不會(huì)使BPSK導(dǎo)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?yàn)檫@些子載波已經(jīng)被設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行檢驗(yàn)，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(gè)發(fā)射機(jī)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(jī)輸入端(Rx0)測得的每個(gè)發(fā)射機(jī)Tx0和Tx1的導(dǎo)頻功率結(jié)果應(yīng)該大致相等。換句話說，如果從一個(gè)發(fā)射機(jī)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(huì)下降到單路輸入/單路輸出(SISO)配置的水平。這種測量導(dǎo)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(gè)接收機(jī)天線上連續(xù)進(jìn)行測量。

　　頻率響應(yīng)的單信道測量

　　利用數(shù)量眾多的導(dǎo)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(dǎo)頻相關(guān)的發(fā)射機(jī)信道)非常簡便地測量發(fā)射機(jī)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(jī)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(dǎo)信號，用于信道均衡和同步。要測量(雙發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的)兩個(gè)信道，可以通過功率組合器將兩個(gè)發(fā)射機(jī)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(dǎo)頻，以用于計(jì)算頻率響應(yīng)。

　　非重疊導(dǎo)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(gè)發(fā)射機(jī)在某些情況下的頻率響應(yīng)來驗(yàn)證。關(guān)鍵在于利用信道之間的串?dāng)_。串?dāng)_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(dǎo)頻能量。借助(通過“使用Tx天線”設(shè)置)配置成只使用Tx1導(dǎo)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?dāng)_)，因此Tx1的測量結(jié)果包含相當(dāng)多的噪聲。

　　結(jié)論

　　STC和MIMO多發(fā)射機(jī)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(jì)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(jìn)行大量重要和實(shí)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?dāng)_)來進(jìn)行測量。