MIMO仿真測試的技術(shù)要求及解決方案

1、概述

MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）時(shí)空編碼無線通信因其在傳輸速率、移動性、頻譜效率、無縫覆蓋等方面具有明顯的優(yōu)勢，正逐漸成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，在全世界范圍內(nèi)圍繞這種技術(shù)展開了廣泛的研究。在WiMax，WLAN、3G、B3G等領(lǐng)域，各種新型的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)正在逐漸形成。

然而由于MIMO技術(shù)本身的復(fù)雜性，系統(tǒng)的性能模擬并不簡單。一些用于系統(tǒng)模擬及仿真的信道模型和算法并不符合實(shí)際無線信道的實(shí)際情形。實(shí)踐證明，為了對MIMO信道和系統(tǒng)取得深層的理解，進(jìn)而優(yōu)化MIMO通信系統(tǒng)的性能，一種高精度、高穩(wěn)定度、高保真度的信道仿真設(shè)備可對科研和系統(tǒng)測試工作帶來無與倫比的便利和效率。Elektrobit公司的高端信道仿真設(shè)備（PropsimTM C8）支持MIMO系統(tǒng)仿真、多路徑、多通道，可以完成多達(dá)4×4的MIMO系統(tǒng)仿真。

以下首先簡述MIMO仿真系統(tǒng)的基本技術(shù)要求，然后介紹基于PropsimTM C8基礎(chǔ)上的MIMO仿真解決方案。

2、MIMO仿真的基本技術(shù)要求

在進(jìn)行MIMO仿真時(shí)，信道仿真設(shè)備必須能產(chǎn)生精確和符合實(shí)際的信道響應(yīng)，才能對MIMO通信系統(tǒng)的性能做出客觀的評估。首先，仿真系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，如各信道和路徑之間的相位誤差、幅度分配誤差和時(shí)延誤差，各信道間的相關(guān)性設(shè)置以及計(jì)算得到的相關(guān)矩陣的精度等等都會影響測量的真實(shí)效果。其次，仿真設(shè)備的同步和工作穩(wěn)定性也會對測量結(jié)果造成很大影響。當(dāng)然，信道仿真設(shè)備所使用的信道模型必須真實(shí)反映MIMO信道的時(shí)空特性和多徑衰落效應(yīng)。另外，實(shí)際信道測量結(jié)果表明各MIMO子信道間具有不同程度的相關(guān)性，而不是理想條件下的完全獨(dú)立情況。因而在實(shí)際測試時(shí)也要考慮這種相關(guān)性來保證系統(tǒng)性能測試的準(zhǔn)確度和可信度。

2.1　時(shí)延精度

在實(shí)際信道環(huán)境中，高頻無線信號通過很多路徑進(jìn)行傳輸，以不同的空間方位角和不同的時(shí)延到達(dá)接收端。相對路徑時(shí)延的仿真精度對TX/RX天線陣列（智能天線）的評估尤其重要。這是確保信號分配和組合準(zhǔn)確性的先決條件。因而邏輯上就要求仿真器設(shè)計(jì)盡可能緊湊，信號的處理和傳輸盡可能在儀器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

PropsimTM C8一臺設(shè)備就可以支持多達(dá)16個(gè)獨(dú)立信道，每信道24徑，所有信號的分流和復(fù)合功能全部內(nèi)置，全數(shù)字化處理，保證了徑時(shí)延的精度和穩(wěn)定性。

2.2　相位精度

同樣，多信道和多路徑信號間的相對相位精度也是MIMO信道仿真中的另一個(gè)關(guān)鍵因素。

PropsimTM C8信道間的典型相位誤差為2度左右（日常校準(zhǔn)后），在進(jìn)行對精度要求更高的研發(fā)工作時(shí)，可以通過2～4小時(shí)間隔的校準(zhǔn)，達(dá)到1度的相位精度。PropsimTM C8路徑間的相對相位誤差精確至可忽略不計(jì)的程度。另外，C8系統(tǒng)設(shè)計(jì)緊湊，所有通道的模塊全部通過一個(gè)背板上的總線連接，可以非常精確地控制相位的漂移，保證實(shí)際精度。

2.3　功率分布精度

如果進(jìn)行天線陣列的波束賦形方面的研究，對功率分布精度的要求尤其明顯。

PropsimTM C8各個(gè)信道間的幅度誤差最大為0.5dB，完全可以符合實(shí)際使用時(shí)的要求。

2.4　AWGN噪聲源

噪聲源是MIMO仿真的另一個(gè)需求。科研人員往往需要精確測試信號和噪聲功率、精確設(shè)定信噪比（SNR）。

在PropsimTM C8設(shè)備中，每個(gè)信道都可以配置獨(dú)立的AWGN噪聲源，噪聲功率可以精確設(shè)定，也可以在固定SNR值時(shí)進(jìn)行設(shè)定。如果在某些測試案例中需要固定SNR值，C8會在數(shù)字層面上測量信號功率，從而精確設(shè)置SNR值。這種方式比起模擬層面的信號功率測量更為精確和快捷。所得到的SNR可以在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到0.3 dB的精度，而且這個(gè)精度在很大的功率動態(tài)范圍內(nèi)都可保證。這種絕對功率控制模式使得根據(jù)3GPP基站測試規(guī)范的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2.5　干擾源

在無線系統(tǒng)中，存在各類干擾源。而且越來越多的無線系統(tǒng)的應(yīng)用對需要考慮的干擾信號類型和數(shù)量要求越來越高。不僅今天的研發(fā)人員要精確定義干擾信號的類型和強(qiáng)度，而且在宏觀上，國家網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃人員也需要全面考慮目前和將來的無線系統(tǒng)中所面臨的干擾信號及其各種干擾信號對通信系統(tǒng)的影響。

PropsimTM C8中可以像加入AWGN信號一樣加入各種干擾信號。更具吸引力的是由于設(shè)備是一個(gè)集成度很高的數(shù)字系統(tǒng)平臺，通過軟件升級就可以方便添加干擾源。

2.6　信道相關(guān)性

MIMO信道仿真中一個(gè)最重要的方面就是要能夠調(diào)整和設(shè)定不同衰落信道及不同衰落路徑間的相關(guān)系數(shù)，設(shè)定完整復(fù)雜的相關(guān)矩陣，PropsimTM C8充分支持這種功能，它對智能天線和波束賦形技術(shù)尤其有用。

圖1　在PropsimTM C8中構(gòu)建MIMO系統(tǒng)模型

圖2　PropsimTM C8信道相關(guān)矩陣的設(shè)定

3、PropsimTM C8 MIMO仿真解決方案

3.1　PropsimTM C8 MIMO仿真平臺的構(gòu)建

如圖3所示，使用一臺PropsimTM C8便可實(shí)現(xiàn)4×4單工MIMO仿真。系統(tǒng)構(gòu)建簡潔，無需繁復(fù)的外部電纜和分路/合路、功率/相位/時(shí)延等的調(diào)整器件。C8內(nèi)置了絕大部分此類模塊連接功能和元器件。

圖3　PropsimTM C8 4×4單工MIMO

PropsimTM C8給科研和測試人員提供了一個(gè)可靈活配置的仿真系統(tǒng)平臺。如2×2 MIMO雙工（圖4），2×3，2×4，4×2 MIMO系統(tǒng)。利用內(nèi)置和豐富的信道和路徑資源（8信道、48徑/信道，或16信道、24徑/信道），這些配置都可以在操作方便的圖形用戶界面（GUI）來完成。

圖4　PropsimTM C8 2×2雙工MIMO

3.2　PropsimTM C8的其它優(yōu)勢

3.2.1　優(yōu)越的基于文本原理的仿真

PropsimTM C8基于仿真文本的工作原理，相對于硬件實(shí)時(shí)仿真主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

*確保100%衰落環(huán)境及測量結(jié)果的可重復(fù)性，而不僅僅是統(tǒng)計(jì)意義上的簡單測試重復(fù)�；�于文本原理的仿真還可以將仿真過程凍結(jié)在某個(gè)特定的系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行慢速、逐步或重復(fù)播放。此功能在系統(tǒng)調(diào)試、糾錯和比較階段極為有用。

*基于文本原理的仿真系統(tǒng)在增加新型信道模型方面更為靈活，只要通過軟件升級即可。而硬件實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)內(nèi)置隨機(jī)序列發(fā)生器，是否能增加某種信道模型取決于其信道模型的特性。

3.2.2　自動同步

PropsimTM C8中的所有信道模塊均連接于同一個(gè)仿真控制單元上，使用同一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，從而工作自動同步。儀器本身還有同步和時(shí)鐘信號的輸入和輸出端口，可以保證多臺儀表一起同步工作。

3.2.3　簡捷的校準(zhǔn)過程

PropsimTM C8的校準(zhǔn)過程極為簡捷。校準(zhǔn)時(shí)將一個(gè)信道作為參考信道，使用VNA儀測量其相位響應(yīng)。其它信道則以此信道為參考進(jìn)行測量和調(diào)整。整個(gè)校準(zhǔn)過程均通過操作簡單的GUI工具來完成。

3.2.4　直觀的用戶界面

使用PropsimTM C8圖形用戶界面（CUI），通過非常簡單的操作，就可以創(chuàng)建復(fù)雜的MIMO系統(tǒng)模型，選擇信道模型，和設(shè)置相關(guān)矩陣等。也可直接輸入每個(gè)衰落路徑的TX和RX相關(guān)矩陣。即使使用多個(gè)仿真儀進(jìn)行更大系統(tǒng)仿真，所有操作還是可以通過單臺PropsimTM C8的GUI完成。

4、結(jié)論

MIMO仿真系統(tǒng)最重要的技術(shù)要求就是盡可能保證仿真精度接近于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。也正是因此要求決定了仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。PropsimTM C8的設(shè)計(jì)基于Elektrobit公司在信道測量、信道建模和信道仿真領(lǐng)域所長期積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，是專為MIMO研發(fā)和測試人員和機(jī)構(gòu)提供的高精度信道仿真設(shè)備。自進(jìn)入市場以來，PropsimTM C8已被廣泛接受和認(rèn)可，并成為全球MIMO仿真和下一代通信系統(tǒng)研發(fā)和測試機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)儀表。