MIMO信道仿真原理及应用MIMO Channel Emulation Basics and Application

今天的内容主要包含5个方面:首先,我会简单介绍MIMO以及fading的基本原理,介绍fading中的一些基本概念,比如时延扩展,多普勒扩展,角度扩展等.然后,我会为大家详细介绍一下MIMO信道模型的基本原理,并以WiMAX及LTE 的信道模型为例详细说明第三我会为大家详细介绍信号源MIMO的解决方案,并详细介绍即将新推出的产品PXB在信道仿真中的应用第四, 我会分析MIMO信道仿真测试市场中的主要竞争对手的产品,并与PXB 比较,得到PXB优于竞争对手的地方最后是总结,Demo及回答提问,首先,我们来简单回顾一下MIMO那么什么是MIMO呢,MIMO就是multiple input, multiple output,通过采用多路收发天线,我们可以极大的提高信号的吞吐量,同时,通过采用一些算法,可以充分利用信道的特性,来提高信号的可靠性及有效性.在实际通信系统中,越来越多的新技术,像WiMAX, LTE 802.11n,都通过采用MIMO技术,有效的利用多径的因素,来提高信号的可靠性和有效性.多天线技术已经成为当今技术的主流在MIMO中,我们所说的Input和output是以无线信道为参考的,进入到信道的那一端叫输入端(Input),从无线信道输出的叫输出端(Output)通常有四种天线的组合方式: 单入单出SISO, 发射分集MISO, 接收分集SIMO, 空间复用MIMO,通常我们把最后一种空间复用称为MIMO(1)对于SISO单入单出我们就不介绍了,我们来看一下后三种(2)SIMO:通过采用接收分集的方式,接收天线收到同一信号独立衰落的副本.接收端把这些信号合并起来,与任一天线的信号比起来,这样得到的信号明显呈现出减少幅度的可变性(衰落).分集以独立衰落分支的数量为特征,也就是所知的分集重数,并且与在SIMO信道中接收天线的数量相等.但是由于价格或空间的限制,在终端接收端布置多天线往往是不现实的,作为取代,与发送天线分集技术结合,在发送端使用多天线正日趋流行(3)MISO: 通过采用发射分集的方式,在发送端未知信道信息的情况下依靠空间(发送天线)编码来提取分集.发射分集主要包含空时块编码STBC, 空时网格编码STTC等.(4)空间多路复用使传送速率对同样的带宽出现线性增长而不会有MIMO:附加的功率消耗,被传送的数据流被多路分解成两个半速率的子流.从每个发送天线同时调制和发送..在前面我们讨论的空时编码和空间复用中,都不需要预先知道信道信息,而在波束成形当中,我们需要接收端测量信道的信息,然后将信道信息反馈给发送端,发送端根据计算反馈的信道信息,得到一个加权矩阵,也叫预编码矩阵(pre-coding matrix),从图中我们可以看到,输出信号会经过一个预编码矩阵,W,经过预编码之后,将信号送到发射天线上发送出去.通过采用波束成形的方法,使发射天线对准接收天线,使无线通路达到最优的信噪比,在实际应用当中,MIMO有几种发射方式呢?主要包括Alamouti空时编码,垂直编码,水平编码和空间扩展.首先,我们来看一下空时编码,也叫做Alamouti编码,在wimax中我们通常叫做Matrix A,每一个编码块都会产生两路相同的数据流,每一路数据流通过不同的编码方式在两路天线上传输,接收端通常有一根接收天线,通过对两路数据进行解码,从而得到原始数据.由于STC编码传输的是两路相同数据,所以并不能很好的提高信号的吞吐量,但是通过两路数据的传输,很好的提高了信道的可靠性,提高了信道的容量和覆盖范围.另一种常见的方式就是垂直编码,也就是我们WiMAX中常说的Matrix B,他的主要原理就是将一条比特数据流分成两条相互独立的数据流,这两条数据流中没有冗余的数据,通过Matrix B 垂直编码方式我们就可以有效的提高了信号的吞吐量.水平编码与垂直编码功能和作用比较相似,主要区别是从数据源开始就包含两条独立的数据通道,分别独立的进行编码和调制,wave 2 现在并没有包含水平编码这种方式空间扩展编码主要应用于11n中,通过对两条独立的数据通道进行空间扩展算法,比如ab两路数据进行a+b,a-b的处理来提高信道的吞吐量前面我们简单介绍了MIMO,那么下面我们来看一下衰落.信号在空中传播,由于无线环境中存在着反射,散射,衍射等因素,接收到的信号就会有强弱变化,我们把这种现象叫做衰落,通过无线信道传播的信号沿着许多的不同路径到达目标,这称为多径.在空间中任何无线信号的传输都会受到衰落的影响,同时,接收机接收到的信号也不只是原来的那一路信号,会有视距和非视距的信号,接收端会将接收到的信号进行叠加,这样叠加的接受信号可能会放大,也有可能会发生衰减,比如图中的接收信号在某段时间内产生了很严重的功率衰减,这样就降低了信道的质量衰落主要包括主路径损耗,快衰落,慢衰落.路径损耗中接收信号的平均功率值与信号传播距离d的n次方成反比,n称为路径损耗指数,自由空间中,n一般取2.在实际环境中,n一般取4路径损耗和阴影衰落合并在一起通常叫做大尺度衰落,也叫做慢衰落,反映的是接收信号随环境和时间的长期变化特性与慢衰落对应的是快衰落,反映的是在较短的距离和较小尺度上的短期变化特性在实际的应用当中我们如何模拟fading呢?通常我们可以把信道仿真分成两类信道模型:传统的信道模型和空间模型传统的SISO信道模型中,我们通常考虑时延扩展和多普勒扩展,在MIMO中,我们还需要考虑空间模型,比如角度扩展,天线方向图,天线的距离及天线的极化在后面我会对每一个概念做详细的介绍我们来看一下时延扩展,信号在空间传输会经过直射,反射,散射和衍射,这样到达接收机的时间就会不同,从而产生了时延扩展.从图中我们可以看到除了时刻t0的视线路径外,在t1和t2时刻还有经过反射到达接收端的路径,我们可以用路径时延线(tapped delay line)来观察时延扩展.一条”tap”是由多条同时刻到达的多径信号叠加组成的另一个非常重要的概念就是Power delay profile (PDP),如右图所示.一路信号在无线信道中传输,在接收端会收到多条这路信号的冲激响应信号,每条接收径都会有不同的延时和功率差,我们把这种现象叫做PDP如果发射机或接收机移动,就会产生多普勒频移,我们通常把频域中信号频响的扩展叫做多普勒频谱.最大的多普勒频移与信号的中心频率和速度成正比.这样发射中心频率为fc 的单音信号,经过多普勒频移,信号频谱会扩展到中心频率fc+-fd的频率范围内,图中列举了多种多普勒频域的模型,包括了Classical 6dB, Classical 3dB, flat, rounded rounded 12dBflat,rounded rounded12dB前面我们介绍了传统的时延扩展和多普勒扩展,在MIMO中,我们还需要考虑空间相关,空间相关主要由角度扩展,天线距离,天线方向图和天线极化等引起.通过下面的图我们来看一下天线的角度是如何决定的在图中有一条LOS和一条多径信号,我们以天线阵列的垂直方向为基准,把sita d叫做天线的离开角AOD, sita A叫做天线的到达角AOA前面我们介绍了天线的离开角和到达角,如果两根发射天线的距离非常近,这样AOA AOD 就会非常相似,天线对之间就存在着相当强的相关性,我们前面讨论过,如果信道存在着较强的相关性的话,会降低MIMO的性能.我们用角度扩展来描述天线AOA,AOD对信道的影响.角度扩展引起空间选择性衰落,角度扩展对于空间相关是非常重要的因素,问题,为什么基站的设计中天线的距离要比较远而手机的天线距离可以比较近?在图中的例子中,基站由于比较高,周围开阔,因此具有很少的散射而移动台周围障碍物比较多,散射效果就很强,因此基站的角度扩展要小于移动台的角度扩展.因此,在BS的设计上天线的距离要尽可能的远,来减小相关性,而MS的天线可以设计的相对近一些通常我们用功率方位角频谱来表示角度扩展,Sita表示的是AOA或AOD,PAS 表示的是平均功率随角度变化的一个函数,PAS是一个概率分布函数信号的功率会随着角度扩展的变化而变化,常用的模型主要有均匀分布,高斯,拉普拉斯模型,不同的环境采用不同的模型天线的距离对于空间相关性也有很大的影响,天线的距离越近,空间的相关性就越强,如果把两根相同极化的天线放在一起,那接收天线的信道特性就完全一致了,因此,在MIMO中,通过两根相同极化的天线放在起那接收天线的信道特性就完全致了优化天线的距离来降低信道的相关性,是非常重要的,由于空间的限制,MS通常选用1/2波长的天线距离而BS通常选用4倍波长的天线距离天线方向图也是影响空间相关的一个重要因素,天线主要有全向天线和定向天线两种,全向天线在整个方向上具有相同的增益,而定向天线在特定的角度上具有很高的增益,而在其他角度上增益比较小前面我们介绍了角度扩展,天线距离,方向图.我们结合这张图来看一下这些参数是如何影响空间相关性的这是一张空间相关系数随天线位置,角度扩展,天线方向图变化的示意图,从图中我们可以看到,随着天线距离的增大和角度扩展的增大,空间相关性逐渐减小.从绿色曲线中可以看到,角度扩展比较低的时候,定向天线和非定向天线具有相同的空间相关性.在较大角度扩展的情况下,可以采用比较近的天线距离.而角度扩展比较小的情况下,就必须选择较远的天线距离来减小空间相关性前面我们说过,增大天线的距离的话能能够降低空间相关性,但是由于无线设备的尺寸限制了天线距离不能设置的非常远,这样的话,我们可以通过改变天线的极化来减小空间的相关性,比如在下面的例子中,我们可以将两根天线垂直放置,从而降低空间相关性.右图中天线平行放置,相关性比较高,而通过垂直放置和45度放置,相关性就比较弱,在后面我们介绍MIMO信道模型的时候,也会接触到天线极化的设置在SISO中,GSM/CDMA2000/WCDMA等标准都有自己的信道模型,分别定义了fading的类型,延时,频谱形状,移动速度等,其中,大多模型都是从ITU-R M.1225信道模型中演化而来.MIMO与SISO模型相比,增加了空间信息和相关信息(比如空间相关矩阵),MIMO信道模型主要包含两类:基于相关性和基于Ray的,现在比较流行的11n,WiMAX及LTE技术都采用了基于相关的MIMO 信道模型.另一种是基于Ray的,包括了从3GPP 25.996协议定义了空间信道模型到SCME信道模型,以及WIMMER模型,从后面的介绍中我们可以看到,采用Ray的方式在设计上比较复杂,因此,现在我们最常用的是基于相关的MIMO信道模型我们先来看一下基于Ray的信道模型Spatial channel model(SCM) 是基于Ray的信道模型,从上图中可以看到,SCM模型是基于发射天线和接收天线间的径(射线),通过径间的参数来得到信道的相关系数.通常有三个步骤:1.选择场景: 郊区,市区等2.确定用户的参数:比如前面我们介绍的角度扩展,时延扩展,路径损耗,天线增益等等3.根据2中的参数,来确定信道的系数我们再来看一下基于相关的信道模型我们以11n信道模型为例,来看一下基于相关的MIMO信道模型,在这个框图中,详细说明了如何产生信道的相关矩阵,首先,对于每条tap,都有不同的相关矩阵,对于2x2的MIMO来说,相关矩阵中有四个信道系数,首先,我们将AWGN产生的高斯白噪信号经过时间相关成形滤波器,形成多普勒频谱,送入到spatial correlation 模块,加入信道的相关.然后经过一系列的插值,加入PDP LOS, 路径损耗等参数,变成信道矩阵的h11 h12 h21 h22等信道系数WiMAX信道模型是基于ITU M.1225 信道模型,通过在每条径中加入空间相关性从而扩展到MIMO中,图中我们可以看到,在这个信道模型中有4条MIMO信道,每条径都有自己的信道矩阵其中Rou12表示的是信道1与信道2之间的相关性,在WiMAX中,每条tap的相关矩阵都是独立的,一共有6条路径如果大家要详细了解WiMAX信道模型的话,可以参考RCT文档的附录,里面对WIMAX信道模型做了非常详细的介绍下面我们在来简单看一下LTE的信道模型的发展情况这张图是LTE信道模型演变的历史,最初LTE的信道模型是由爱立信提出的SCME模型,但是SCME经过不断的演进后变得越来越难以实现.之后,安捷伦提出了基于相关矩阵的信道模型,以其良好的可实现性得到了更多的支持.最终,由安捷伦和爱立信联合提出的基于相关矩阵的LTE信道模型最终确定下来作为LTE MIMO信道模型LTE MIMO要点主要包括基于相关的信道模型相关矩阵基于天线的配置,天线的距离,方位图,距离和极化包括了3扇区,6扇区和定向天线等方式包含了每一径的AOA,AOD,每条径和每个场景都有不同的相关矩阵给出了相关矩阵的计算方法1.MIMO&Fading的基本原理15min简单介绍MIMO以及fading的基本原理,2. MIMO信道模型的基本原理20minSISO及MIMO当中信道模型的基本原理,并以WiMAX及LTE的信道模型为例详细说明3. 信号源MIMO信道仿真测试的解决方案20min信号源MIMO的解决方案,并详细介绍即将新推出的产品PXB4. MIMO信道仿真测试市场及竞争分析20min分析MIMO信道仿真测试市场中的主要竞争对手的产品,并与PXB比较,得到PXB优于竞争对手的地方总结及Demo及回答提问15minAgilent公司的MIMO信号源解决方案主要有:1.N5182A MXG N5162A MXG ATE, 通过012选件就会很容易的提供精确的射频相位同步,主要优点是配置灵活,价格便宜,后续升级容易,并且能够结合PXB提供功能强大的fading功能2.E4438C ESG, 如果客户已经有ESG,并且有real time fading信号产生需求的话,可以推荐ESG的解决方案, 通过lock box 和HEC HCC HBC选件,能够提供基带时钟同步和射频相位同步,目前的应用来说,只有beambeam forming中可能需要基带时钟同步和射频相位同步,一般的MIMO应用不需要lock box 和HEC HCC HBC选件. ESG lock box 和HEC HCC HBC 选件的组合实现起来比较复杂,所以我们首推MXG的方案3.MXG与ESG方案相比一个很大的不同就是MXG不能与N5101Afading卡结合产生实时的fading信号, 由于64M memory的限制,对于步行B模型的仿真65功能是比较有限的,这时候需要50ad g卡,但是N7615B N5101Afading N5101Afading卡只能模拟两条信号的fading,不能满足2x2 MIMO四条信道的需求4.因此,我们最新的解决方案是PXB+MXG/ESG对于STC/MIMO来说,两台信号源之间的同步是非常重要的,只有保持信号源之间的同步,输出的信号之间才能保持良好的时钟同步,保证MIMO信号同时从两路源中播放出来,在信号源ESG中,我们通O SG过将主信号源的event 2输出分别连到两台源的pat trig in 端口,将两台源10MHz reference连接起来,就可以实现基带的时钟同步,同步的精度为信号源的一个内部时钟周期,20ns左右,同时,ESG还有option HEC选件,可以提供精确的基带时钟同步,同步的精确度可以小于1ns.对于MXG,由于MXG内部的结构采用了菊花链的方式,依次连接主MXG和从MXG的event 1接口和patt trig 接口,就能够不需要额外的选件来提供精确的基带时钟同步,同步的精度也是小于1ns.如果我们用signal studio软件来控制信号源下载MIMO波形的时候,在软件内部就会完成相应的同步设置,不需要自己设置同步的过程,但是如果是播放存放在两台源中的MIMO波形时,就需要手动做一就需要手动做些设置来完成波形的同步,关于同步的设置在软件help文档里面有详细的说明另外一个方面就是MIMO信号的射频相位同步,对于wimax matrix A matrix B 信号,射频信号之间没有严格的相位要求,不需要信号源提供精确的射频相位同步,但是对于beamfoming来说,由于发射端中发射天线要对反馈的信道信息进行加权处理,通过加权使波束对准接收天线,这样就对信号的相位信息有严格的要求,需要信号源提供精确的射频相位同步,要求信号源之间要共享本振对于ESG来说,通过使用HBC和HCC选件和lock box,能够提供精确的射频相位同步,缺点是连接比较复杂对于MXG来说,通过012选件就能够完成射频相位同步,只需要Master MXG的LO同时驱动salve MXG,如果是2台以上的MXG MIMO的话,Master LO不能驱动多台slave MXG,这时候就需要另外一台信号源来提供LO另外一个方面就是MIMO信号的射频相位同步,对于wimax matrix A matrix B 信号,射频信号之间没有严格的相位要求,不需要信号源提供精确的射频相位同步,但是对于beamfoming来说,由于发射端中发射天线要对反馈的信道信息进行加权处理,通过加权使波束对准接收天线,这样就对信号的相位信息有严格的要求,需要信号源提供精确的射频相位同步,要求信号源之间要共享本振对于ESG来说,通过使用HBC和HCC选件和lock box,能够提供精确的射频相位同步,缺点是连接比较复杂对于MXG来说,通过012选件就能够完成射频相位同步,只需要Master MXG 的LO同时驱动salve MXG,如果是2台以上的MXG MIMO的话,Master LO不能驱动多台slave MXG,这时候就需要另外一台信号源来提供LO前面我们介绍了ESG MXG的MIMO解决方案,那么下面我们重点来看一下我们信号源部门即将推出的功能强大的基带信号发生器PXB,它的主要特点包括了1.业界领先的基带性能2.现有的signal studio能运行在PXB中(目前只有WiMAX和LTE)3.能够产生real time的fading, 具有强大的fading功能4.强大的基带信号产生能力,能够支持4x2MIMO信号的产生PXB具有灵活DSP和IO配置方式,可以根据客户的需求灵活的选择DSP和IO的数量,目前PXB中最多可以配置12个DSP(可以设为BBG或Fader)和4块IO通路(8条IO通路,可设为数字输出或模拟输出)前面我们说过,每一块基带DSP都由两个DSP组成,每一个DSP都可以设为BBG或Fader (BBG<=4, Fader<=8),比如在下图的例子中,我们要做4x2MIMO+fading的信号产生,这样就需要12个DSP block(4 BBG + 8 fader),也就是6个BBG卡我们如何配置信道仿真器呢?主要有三种方法,基于软件的衰落,在软件中生成衰落的波形文件写入到信号源中,这种方法是比较经济的方式,但是它主要受制于信号源的内存.另一种方式是基于射频端的衰落,将两路射频输出连接到信道仿真器中,产生射频的衰落信号.第三种方法是实时的基带的衰落,将衰落信号在基带电路中产生,然后通过信号源上变频发送出去,前面我们所说的信道模型,比如时延扩展,多普勒扩展,角度扩展,都能够在信道仿真仪中模拟我们来看一下PXB的具体应用场景,首先是基带的ASIC的开发测试,PXB可以模拟基站或终端产生基带的模拟或者数字I/Q信号(通过N5102A DSIM),然后将基带信号送入到被测的终端或基站.其中基带信号可以通过ADS, signal studio 或Matlab产生,也可以由PXB内部real time产生,如果需要加入fading的话可以在PXB中实时的产生与基带测试类似,PXB可以模拟基站或终端产生基带的数字I/Q信号,然后将信号送入到MXG/ESG进行上变频处理,将信号送入到被测的终端或基站的射频端.其中基带信号可以通过ADS, signal studio 或Matlab产生,也可以由PXB内部real time产生,如果需要加入fading的话可以在PXB中实时的产生,需要注意的是由于通过MXG/ESG进行上变频出理,输出信号的射频带宽就取决于MXG/ESG的射频带宽由于我们有4个BBG,这样可以用来做Co-existence的测试,比如一路BBG产生WiMAX的信号,另外三路可以产生WLAN WCDMA Bluetooth信号,之后我们在基带把这4路信号进行叠加,送入到模拟IQ,数字IQ或射频中发送出去.问题:与传统的RF combine测试有何不同?1.比如要改变某个信号的功率值,需要重新下载波形2.信号的动态范围会比较小通过MXA+PXB+MXG/ESG的方案,我们可以实现射频到射频的fading解决方案,如果客户已经有了MXA和MXG/ESG的话,就可以很容易的通过利用这些已有的设备,结合PXB进行射频到射频的衰落通过MXA做下变频出理,将基带信号送入到PXB中,在基带信号中加入fading,送到MXG/ESG进行上变频处理,进入到基站或终端的射频口我们结合PXB来看一下实际的应用,那么什么情况下需要自动功率校准呢?•在信号输入到AWGN/Fading模块前,需要确定波形的RMS值•在基带信号送入到ESG/MXG之前确定波形的RMS值•ALC关掉的情况这是用PXB中对MIMO天线的极化,距离等参数的设置,会结合Demo详细介绍这是用PXB设置MIMO相关矩阵参数设置的例子,会结合Demo详细介绍PXB中AWGN信号的设置总体来说:•PXB与R&S AMU200A 相比有更好的性能,并且价格上也是可比的•Bento + MXG 的方案与SMU200A相比在性能上也优于SMU200A,价格也比较接近•Bento + MXA + MXG 的方案在价格上并不输于SR5500 C8和Azimuth,在某些应用上还由于他们,具体会在后面做详细的介绍总体来说:•PXB与R&S AMU200A 相比有更好的性能,并且价格上也是可比的•Bento + MXG 的方案与SMU200A相比在性能上也优于SMU200A,价格也比较接近•Bento + MXA + MXG 的方案在价格上并不输于SR5500 C8和Azimuth,在某些应用上还由于他们,具体会在后面做详细的介绍.总体来说:•PXB与R&S AMU200A 相比有更好的性能,并且价格上也是可比的•Bento + MXG 的方案与SMU200A相比在性能上也优于SMU200A,价格也比较接近•Bento + MXA + MXG 的方案在价格上并不输于SR5500 C8和Azimuth,在某些应用上还由于他们,具体会在后面做详细的介绍EB 包括了FE/C2/C8系列,其中FE/C2面向的是2x2MIMO信道仿真,而C8可以最多支持4x4MIMO信道的仿真,C8的具体指标如slides所示,在目前的信道仿真测试市场中EB公司是我们最大的竞争对手,因此我们要特别注意这家公司PXB的优点主要集中在•更宽的信道带宽, PXB的fading 带宽在120MHz左右,而C8的标配在70MHz,将两路fading信道叠加后可以达到100MHz•更好的射频功率指标, C8最大的输出功率只有-16dBm,明显低于MXG的输出功率•更全的频率覆盖范围:PXB+MXG可覆盖100KHz 到6GHz内的完整的频率覆盖,而C8是350MHz 到6GHz •PXB具有强大的基带信号产生能力,4个BBG,可产生无线通信的基带信号•但是,C8具有更简单的RF到RF fading的功能C8RF f di我们另外一个比较大的竞争对手是思博伦,它的主要产品是SR5500,是信道仿真测试市场中比较成熟的一款产品,两台SR5500相组合可以最多支持4x4MIMO信道的仿真,SR5500的具体指标如slides所示,在目前的信道仿真测试市场中思博伦公司的SR5500主要针对的是RF到RF端fading测试市场,也是我们很大的竞争对手PXB的主要优点在于:•4倍以上的信道带宽, PXB的fading 带宽在120MHz左右,而SR5500的标配在26MHz•具有更多的信道数量,PXB具有8条fading信道,而SR550有2条fading信道(通过MIMO选件可以达到4条)•更全的频率覆盖范围:PXB是100KHz到6GHz内的完整的频率覆盖,而SR5500是某段频段内的fading方案( 400-2700MHz, 3300-3850MHz, 4100-6000MHz)(需要另加一个Box达到6GHz)•具有BB到BB, BB到RF的信道仿真功能•SR5500只是RF到RF端fading测试的信道仿真仪,因此没有数字和模拟基带信号输入输出功能没有输出信号叠加的功能没有干扰信号产生的功能不支持Marker和Trigger的功能。