作者：應(yīng)用工程師 Randall T. Becker

多路輸入多路輸出（MIMO）技術(shù)通過(guò)頻譜效率的改進(jìn)可提供更高的數(shù)據(jù)速率[1，2]。MIMO 系統(tǒng)的性能與接收到的信干噪比（SINR）及多路徑信道和天線配置的相關(guān)屬性直接相關(guān)[3]。無(wú)線信道可使某些 MIMO 接收天線端的 SINR 降低，但通過(guò)在發(fā)射機(jī)端使用波束賦形，還是能夠提高系統(tǒng)性能。雖然波束賦形與波束控制經(jīng)常一起使用，但明白二者的差別是非常重要的，波束賦形是一種信號(hào)處理技術(shù)，波束控制是改變輻射主波瓣的方向。波束賦形非常適用于 MIMO 應(yīng)用。3GPP 長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)[4]包括幾種發(fā)射波束賦形技術(shù)，可在各種信道條件下優(yōu)化系統(tǒng)性能。其中一種就是預(yù)編碼技術(shù)，它可以提高和/或均衡通過(guò)多個(gè)接收機(jī)天線接收到的 SINR。

MIMO 和預(yù)編碼

圖 1a 顯示了標(biāo)準(zhǔn) 2x2 MIMO 空間多路復(fù)用圖。假設(shè)無(wú)線信道將在發(fā)射天線和接收天線之間提供 4 個(gè)獨(dú)立連接。每個(gè)信道連接（圖中以箭頭來(lái)表示）均代表所有傳輸路徑的一個(gè)獨(dú)特組合，其中包括直接視距（LOS）路徑（如果存在），以及由于周圍環(huán)境的反射、散射和衍射而生成的無(wú)數(shù)多路徑。根據(jù)得出的信道條件，如果任何一條接收天線的 SINR 太慢，MIMO 系統(tǒng)則可能無(wú)法恢復(fù)發(fā)射的數(shù)據(jù)流（層）。如圖 1b 所示，在了解當(dāng)前信道條件后，發(fā)射機(jī)通過(guò)添加預(yù)編碼，能夠在傳輸之前有效地結(jié)合各層，達(dá)到通過(guò)多個(gè)接收天線均衡信號(hào)接收的目的。預(yù)編碼方案是專門針對(duì)空間多路復(fù)用和發(fā)射分集應(yīng)用而設(shè)計(jì)的[4]。本文將探討空間多路復(fù)用 MIMO 系統(tǒng)中的預(yù)編碼。

圖 1. 簡(jiǎn)化方框圖顯示了（a）未采用預(yù)編碼的 MIMO 與（b）采用預(yù)編碼的 MIMO 之間的差別

預(yù)編碼以發(fā)射波束賦形的概念為基礎(chǔ)，該概念支持多個(gè)波束同時(shí)在 MIMO 系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。LTE 標(biāo)準(zhǔn)定義了一組復(fù)雜的加權(quán)矩陣，以便使用高達(dá) 4x4 的天線配置在傳輸之前對(duì)各層進(jìn)行組合[4]。對(duì)于 2x2 的配置來(lái)說(shuō)，將加權(quán)矩陣 W 乘以輸入層，就能得出將要發(fā)射的預(yù)編碼信號(hào)。

此處，x^(q)(i) 是預(yù)編碼（q=0, 1）之前的輸入層，y^(q)(i) 是應(yīng)用于每個(gè)發(fā)射天線的預(yù)編碼信號(hào)。這個(gè)較簡(jiǎn)單的預(yù)編碼矩陣將每一層映射到專門用于發(fā)射那一層的單一天線上，而不需要與其他天線進(jìn)行任何耦合。在這種情況下，由碼簿索引 0 定義的加權(quán)矩陣將變?yōu)椋?/P>

得出以下發(fā)射數(shù)據(jù)：

由碼簿索引 1 定義的第二個(gè)預(yù)編碼矩陣提供兩個(gè)輸入層相加和相減的線性組合。碼簿 1 的加權(quán)矩陣為：

得出以下發(fā)射數(shù)據(jù)：

該碼簿選擇功能允許每個(gè)信號(hào)層的一部分通過(guò)每個(gè)天線進(jìn)行發(fā)射，并根據(jù)信道條件，在試圖改進(jìn)和均衡每個(gè) MIMO 接收機(jī)的 SINR 時(shí)，提供一定的靈活性。

LTE 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)預(yù)編碼空間多路復(fù)用傳輸為兩個(gè)發(fā)射天線配置提供了 4 個(gè)碼簿矩陣，為四個(gè)發(fā)射天線系統(tǒng)提供了 16 個(gè)碼簿矩陣。要想恰當(dāng)?shù)剡x擇較佳的預(yù)編碼矩陣，就必須要了解發(fā)射機(jī)當(dāng)前的信道條件。信道條件由創(chuàng)建閉環(huán)系統(tǒng)的 MIMO 接收機(jī)的反饋提供。對(duì)于 LTE 預(yù)編碼的下行鏈路傳輸，移動(dòng)終端或用戶設(shè)備（UE）將測(cè)量信道特征，并確定預(yù)編碼矩陣索引（PMI）、信道質(zhì)量指示符（CQI）和/或排名索引（RI）。該信息將發(fā)送到基站（eNB），由基站來(lái)修改預(yù)編碼碼簿選擇，從而提高整體系統(tǒng)性能。由于信道條件可能隨著時(shí)間的變化而快速改變，因此系統(tǒng)在關(guān)閉反饋環(huán)路時(shí)避免過(guò)分延遲是非常重要的。減少信令開(kāi)銷和相關(guān)反饋延遲可通過(guò)限制碼簿選擇數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。不幸的是，減少碼簿數(shù)量也會(huì)限制可調(diào)整的預(yù)編碼數(shù)量，進(jìn)而降低預(yù)編碼的效力。

LTE 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)系統(tǒng)性能、預(yù)編碼選件和反饋限制的平衡非常精通。一個(gè)靈活的測(cè)量系統(tǒng)能夠以獨(dú)特的視角，在各種仿真信道條件（包括噪聲、干擾和天線/信道相關(guān)）下對(duì)預(yù)編碼進(jìn)行深入分析。

預(yù)編碼測(cè)量實(shí)例

在各種信道條件下檢測(cè)預(yù)編碼和 MIMO 的工作性能時(shí)，需要有各種必要的測(cè)量工具。圖 2 顯示了典型的 2x2 MIMO 測(cè)量設(shè)置，它由無(wú)線信道仿真器、信號(hào)源和信號(hào)分析儀組成。信道仿真器（例如 Agilent N5106 PXB 接收機(jī)測(cè)試儀）用于創(chuàng)建真實(shí)的多信道、多路徑環(huán)境（包括天線和空間相關(guān)的影響）[3]。某些商用仿真器具有內(nèi)置基帶發(fā)生器，通過(guò)在軟件工具（例如 Agilent Signal Studio、Agilent ADS 和 Agilent SystemVue） 中開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)模型或定制模型，可生成復(fù)雜的波形。信道仿真器輸出復(fù)雜的基帶波形，代表預(yù)編碼 MIMO 信號(hào)已被多路徑、噪聲和/或干擾所修改。之后，這些基帶波形將使用許多射頻矢量信號(hào)發(fā)生器提供的模擬同相（I）和正交相位（Q）輸入，調(diào)制到射頻載波上。基帶數(shù)據(jù)也可通過(guò)信號(hào)發(fā)生器（例如 Agilent MXG 系列）的數(shù)字 I 和 Q 輸入調(diào)制到射頻載波上。這是首選方案，因?yàn)檫@種方案可提供較佳性能，并且能夠執(zhí)行系統(tǒng)的自動(dòng)功率校準(zhǔn)。在圖 2 所示的測(cè)量系統(tǒng)中，兩個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生器就是雙信道 MIMO 接收機(jī)的輸入。請(qǐng)注意，使用多個(gè)信號(hào)發(fā)生器仿真 MIMO 系統(tǒng)時(shí)，雖然不要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行鎖相，但在測(cè)試過(guò)程中，各個(gè)發(fā)生器之間需要有一個(gè)穩(wěn)定的相位關(guān)系，這是十分重要的。術(shù)語(yǔ)“鎖相”通常被稱為“相位相干性”，它表示在特定載波頻率上工作的兩個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生器的射頻輸出間的固定相位關(guān)系。由于每個(gè)數(shù)據(jù)層的信號(hào)在進(jìn)行傳輸之前都要根據(jù)已知的信道條件添加一個(gè)矢量，因此正確的相位關(guān)系對(duì)預(yù)編碼操作十分重要。如果用來(lái)仿真多個(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)發(fā)生器有一個(gè)未知和/或隨時(shí)間變化的相位關(guān)系，接收到的信號(hào)就可能出現(xiàn)不希望的相位偏置，從而導(dǎo)致一個(gè)或多個(gè)恢復(fù)數(shù)據(jù)流的性能降低。本文在后面將會(huì)提供一個(gè)實(shí)例，說(shuō)明信號(hào)發(fā)生器相位偏置與系統(tǒng)性能的關(guān)系。在使用兩個(gè)現(xiàn)代射頻信號(hào)源（例如 Agilent MXG 信號(hào)發(fā)生器）的測(cè)試系統(tǒng)中，兩臺(tái)發(fā)生器將通過(guò)共享一臺(tái)發(fā)生器的未調(diào)制的本地振蕩器（LO）來(lái)保持相位相干性（參見(jiàn)圖 2）。在某些具有多個(gè)射頻信號(hào)發(fā)生器（例如 4x4 和 2x4 配置）的測(cè)試系統(tǒng)中，推薦使用單獨(dú)的射頻信號(hào)發(fā)生器作為主本地振蕩器，以便為信號(hào)發(fā)生器的本地振蕩器輸入提供足夠的驅(qū)動(dòng)電平。

在圖 2 所示的測(cè)量實(shí)例中，雙信道 MIMO 接收機(jī)使用兩臺(tái)矢量信號(hào)分析儀（VSA）來(lái)配置，例如裝有Agilent 89600 VSA 軟件的 Agilent MXA 信號(hào)分析儀。通過(guò)電纜將兩臺(tái)信號(hào)發(fā)生器直接連接到 MIMO 接收機(jī)的輸入端，可以使用類似配置測(cè)試實(shí)際 2x2 MIMO 接收機(jī)系統(tǒng)的性能。在本例中，信道仿真器引入了可能在實(shí)際環(huán)境中出現(xiàn)的多路徑和信道減損。在測(cè)試 MIMO 發(fā)射機(jī)或 eNB 時(shí)，發(fā)射機(jī)可以直接連接到信號(hào)分析儀上。根據(jù)測(cè)試設(shè)備上的測(cè)量端口總數(shù)，可有多種將 MIMO 發(fā)射機(jī)連接到信號(hào)分析儀的可能配置。例如，通過(guò)使用功率組合器將 MIMO 發(fā)射機(jī)的多個(gè)信號(hào)添加到分析儀的通用端口，可以使用單路輸入分析儀進(jìn)行 MIMO 極限測(cè)試。在這種情況下，由于發(fā)射的下行鏈路參考信號(hào)在頻率和/或時(shí)間上成正交關(guān)系，每個(gè)傳輸天線端口的單個(gè)參考信號(hào)都可通過(guò)單路輸入分析儀來(lái)分析 EVM 特征和定時(shí)誤差。當(dāng)使用兩個(gè)單路輸入分析儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，雙信道 MIMO 發(fā)射機(jī)可以直接使用電纜連接到分析儀。在這種情況下，即便是在碼字采用預(yù)編碼而導(dǎo)致每層都包含一些獨(dú)立碼字組合的情況下，分析儀也能恢復(fù)每個(gè)碼字的獨(dú)立數(shù)據(jù)。這種配置對(duì)于評(píng)測(cè)傳播信道（將會(huì)發(fā)生信道的交叉串?dāng)_和交叉耦合）的影響也非常有用。

圖 2. 使用 N5106A PXB MIMO 接收機(jī)測(cè)試儀、N5182A MXG 矢量信號(hào)發(fā)生器和 N9020A MXA 信號(hào)分析儀演示，在各種多路徑和信道條件下表征 LTE 預(yù)編碼性能的測(cè)量設(shè)置。

使用 LTE 預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)潛在系統(tǒng)改進(jìn)的測(cè)量實(shí)例現(xiàn)在將通過(guò)上面介紹的基本 2x2 MIMO 系統(tǒng)來(lái)演示。信道仿真器經(jīng)過(guò)配置可生成一個(gè)“靜態(tài)”的多路徑信道，從而造成一個(gè)接收信號(hào)具有高 SINR，另一個(gè)接收機(jī)信號(hào)具有低 SINR。圖3 顯示了采用（下圖）和未采用（上圖）預(yù)編碼的雙信道 MIMO 信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)后所測(cè)得的星座圖。對(duì)于未采用預(yù)編碼的測(cè)量（參考了 LTE 標(biāo)準(zhǔn)中的碼簿索引 0），數(shù)據(jù)層直接映射到兩個(gè)發(fā)射天線，并通過(guò)仿真的多路徑信道進(jìn)行發(fā)射，這就使接收到的第一個(gè)信號(hào) rx0 具有相對(duì)較高的 SINR，而接收到的第二個(gè)信號(hào) rx1，則受到了嚴(yán)重的衰減，具有很低的 SINR。第二個(gè)信號(hào)的質(zhì)量及這兩個(gè)信號(hào)間巨大的 SINR 差別使正確解碼這個(gè)兩信道 MIMO 信號(hào)變得非常困難。在本例中，當(dāng)使用預(yù)編碼時(shí)，通過(guò)碼簿索引 1，較差的信道條件所帶來(lái)的負(fù)面效應(yīng)可在一定程度上消除，因?yàn)轭A(yù)編碼將試圖均衡在每個(gè)接收機(jī)上測(cè)得的 SINR。從這個(gè)測(cè)量實(shí)例的結(jié)果可以看出，較差質(zhì)量的信號(hào) rx1 的 SINR 得到了改進(jìn)，另一個(gè)信號(hào) rx0 的 SINR 雖然有所降低，但仍在可接受的范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)兩個(gè)接收信道進(jìn)行適當(dāng)?shù)鼐�衡，MIMO 接收機(jī)能夠輕松恢復(fù)正交發(fā)射信號(hào)。 

圖 3. 使用 89600 系列矢量信號(hào)分析軟件，在采用和未采用預(yù)編碼的情況下測(cè)得的星座圖。[6]

前面已經(jīng)提到，射頻信號(hào)發(fā)生器之間的相位相干性對(duì)于正確解調(diào)獨(dú)立的數(shù)據(jù)層非常重要。當(dāng)已選擇好預(yù)編碼索引（index）來(lái)均衡接收機(jī)性能時(shí)，我們假設(shè)信