MIMO無線區域網路實體層RF運作原理與量測方法（中） --agilent

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真實通道的量測與應用
已發表的通道模型較傾向於做為WLAN（Wireless Local Area Network，無線區域網路）系統比較的基礎，而非用於完整的設計測試，因為它們可能無法代表每一個具體的環境。
實際的通道可以使用向量網路分析儀，或是任意波形產生器（AWG）、信號產生器和RF數位轉換器（digitizer）的組合來量測。如果有AWG的話，就可以使用各式各樣的波形，包括：多頻和頻率的chirp信號。最主要的需求為測試信號要將可用的量測時間最大化，且通道要能維持在穩定的狀態。使用真實的前導信號所適用的Golay序列，可以將信號的峰值／平均值減到最小，以確保測試接收器儘可能地維持高輸入靈敏度。也需要撰寫適合測試信號使用的信號還原軟體。
複製已知會造成問題之信號的方法之一是錄下RF信號，如【圖七】所示。若為兩個通道，則最簡單的方式就是使用89600向量信號分析儀（VSA）軟體，而使用89640硬體時，每一段可以錄好幾秒的信號，也可以使用自行設計的軟體來增加擷取的通道數。【圖六】的範例就是使用這種方法。

圖七：錄下真實的MIMO測試信號供除錯使用。

應用在WLAN的多重通道無線電系統

使用802.11a形式的OFDM與MIMO的運作之間有很密切的關係，一直到設計階段都是如此。為了了解OFDM如何因應MIMO的需求，有必要先說明單一輸入單一輸出（SISO）的無線電系統。

正交分頻調變（OFDM）提要
OFDM可以在許多的次載波之間分享使用高速的資料輸入，如此一來，就可以減少個別次載波所需的頻寬。資料會?集成資料區塊（稱為symbol），然後經過編碼以減少錯誤的發生，接著將它們分散（交錯）在不同的次載波上進行傳送，以保護它們不受少數次載波因多徑消抵（multi-path cancellation）或窄頻干擾造成的損耗所影響。正交（orthogonal）這個名稱指的是選擇次載波的頻率間隔和資料調變速率的方式，以避免次載波之間的干擾。
每一個次載波的頻寬都很窄，但仍然會有相關的延遲產生。symbol之間插入的保護區間提供了系統設計時可以預期的最長延遲時間。在保護區間內，會將symbol延伸，做法是將symbol尾部相同長度的一段時間複製在symbol的開頭處，這段時間就稱為循環字首（cyclic prefix）或延伸部分。
WLAN傳輸的運作基礎是只使用每一個單獨封包內的資訊來還原封包的內容。在封包（叢發信號）的開始處，有兩段訓練期間，在第一個8us的短訓練序列中，每第四個次載波會被開啟，其相位關係會將峰值對平均功率比降到最低，這段期間可用於接收器的增益設定以及粗略的頻率修正。在接下來的8us，也是長訓練序列中，所有的次載波都會開啟，讓接收器計算通道的頻率響應並微調頻率的誤差。
使用OFDM可以讓對MIMO運作用的信號做一些重要假設。舉例來說，每一個次載波的調變頻寬都很小，足以假定可以用單一複數係數來表示每一條RF路徑，這就是透過低成本的DSP（Digital Signal Processor，數位訊號處理器）實做，讓MIMO（Multiple Input Multiple Output，，多重輸入輸出）運作的通道係數計算變得可行的重要因素。

分集（diversity）技術M
傳送單一資料串流時，運用分集技術可以減少錯誤的發生。事實上，天線的空間分集並非新的題材，在許多WLAN裝置中已曾經使用。802.11n裝置中的多重發射-接收鏈設計除了是一種增加容量的方法之外，也具有提高分集性的效果。
善用路徑的分集效果可以提高信號路徑的耐受力，這表示可以提高任何距離的最高資料速率。如果信號／雜訊比的效能超出要求，還可以降低發射功率，延長可攜式裝置的電池壽命。

切換式接收器
一旦封包抵達接收器，自動增益控制（AGC）電路就會開始動作。如果估計信號的振幅太低，無法可靠的使用，那麼最簡單的方法就是切到第二組天線。這仍然是一種SISO的無線電系統，因為只能提供一個接收鏈。

切換式發射器
發射端必須要決定該使用哪一組天線，決策基礎可以透過簡單的嘗試錯誤法，也就是使用同一組天線，直到接收到的封包出現錯誤為止。與切換式接收器相較，最大的差別在於發射器至少對通道的狀況，也就是哪一條天線路徑比較好，有一些基本的了解，這是應用通道知識的第一步。

時空區塊編碼
複雜的下一步是要同時使用多組天線，而非輪流切換使用不同的天線，這需要將發射鏈的硬體加倍，不過，同時也能增加一些效能提升的好處。特別是，如同Alamouti所示範的，使用時空區塊編碼搭配兩支發射天線所得到的效能，有可能與使用最高比結合（maximum ratio combining）搭配兩支接收天線所得到的效能是一樣的。這對蜂巢式無線通訊來說相當重要，因為在基地台增加複雜度會比較容易些。對於將兩支天線裝設在同一個裝置上會碰到一些實際的問題，或是這樣做所產生之成本可能過高的802.11n WLAN應用來說，也有一些好處。
當802.11n的裝置要發射出一個傳統的舊式信號，如：802.11a或b時，就必須選擇只使用一組發射器，或是要將信號分開來，使用兩個發射鏈來傳送。在大部分的情況下，會使用兩個發射鏈將信號送出。除非其中一個信號被修改過，否則結果將是一種簡單的波束成形（beamforming），要避免這種結果的方法是使用?環移位（cyclic shift），將延遲插入其中一條信號路徑中。雖然對延遲長度的需求可能會有一些衝突矛盾之處，但通常會介於50到200 ns之間。這樣的延遲會在兩組天線的信號之間，產生頻率相依的相位偏移。
時空區塊編碼是一種多重輸入單一輸出（MISO）技術，可用來產生耐受力更強的傳輸路徑。它對802.11n來說有其重要性，因為有些裝置的安排可能是非對稱性的，在連結的一端只有一支天線。
「空間」指的是不同的天線位置，在Alamouti的時空區塊碼（STBC）範例中，「時間」指的則是成對的OFDM symbol之傳輸時間的反轉（reversal）。在【圖十一】中，檢查所傳送的信號可以看出加到每個通道信號上的額外相位旋轉量，接收器必須要一起還原和處理成對的symbol。

圖十一：時空區塊編碼中使用的OFDM symbol運算方法。

空間多工
使用多重通道的最後一種方法，就是可以增加瞬間容量的方法。

波束成形（beamforming）
用在MIMO空間多工（SDM）技術的「波束成形」與相位陣列（phased array）天線系統所指的波束成形是不一樣的，在MIMO WLAN的設計中，兩者的作用都很重要，但基於不同的理由。

相位陣列的波束成形
相位陣列天線一般與直視性（line of sight，LOS）傳輸有關，通常會應用在單一載波調變信號上，可以使用在發射器或接收器中。如同高K通道一樣，相位傳輸陣列可能會降低空間通道的效能。
若是應用在行動通訊中，這種波束成形技術需要有一個定期掃瞄的機制，就像一個三百六十度的全向性燈塔一樣，以便讓位在連結末端的裝置能夠找到彼此的位置和相互追蹤。
在接收器陣列中，拒斥干擾的能力可能與提高想要的信號位準一樣地重要。如果相同的信號從兩支或多支天線同時傳送出來，則任何接收位置的信號強度皆取決於傳送進來之信號的相位對齊度。

空間通道的波束成形
空間通道的「波束成形」（SCB）相當於減輕【圖四】（請參考本刊第一百四十八期2006年04月號笫七十一頁）中每條線的「模糊不清」程度，其做法是提高構成那些線之信號的發射功率，可能有幾種形式，視實做的複雜度而定，報告指出，特別適用於發射天線多於接收天線的設計。
SCB需要發射裝置事先瞭解通道的狀況，亦即掌握通道狀態資訊（CSI），且要假設通道是對等的（reciprocal），也就是雙向都是一樣的。數學上，上傳通道的矩陣必須為下傳通道矩陣的轉置（transpose）。
每一次通訊裝置從通道的另一端收到一個封包時，前導信號的長訓練序列中會提供CSI資訊。解出CSI時，若因雜訊或缺乏對等性而出現錯誤，就會降低空間通道波束成形系統的效能。
「波束」適用於特定的空間通道，而非相位陣列概念中的波束。由於空間通道是天線位置和實體環境組合的結果，這表示只有某些實體位置能得「波束」之利，
一般而言，空間通道是多重反射合起來的結果，因此不能以與相位陣列相同的方式來看待波束，這種波束是加諸於每一個OFDM次載波的複數係數組合起來形成的。
波束成形的意思是MIMO處理作業會在發射器和接收器之間分開進行。由於我們預期所傳送的信號中會加入某種的預編碼（pre-coding），因此要回歸接收到之信號的一般表示式來找出套用該公式的方式。數學上，可以很方便地用三個矩陣UDVH來取代H，如下所示：
R = HT 變成 R = UDVH T
選擇U和V，使得UUH = VVH = I，而D是「對角線」，意思是除了主要的對角線成份以外，其他皆為0。這表示D的單數值都是一樣的──因而對任何特定的H而言，都可以提供最大的MIMO容量。現在，那麼，就可以預先在發射器端用V將信號加以編碼，然後在接收器端用UH來進行後段編碼（post-code）。
UHR = DVT
「預編碼」就是空間通道的波束成形功能，計算係數的方法之一，就是所謂的單數值分解（singular value decomposition）。

閉迴路的空間通道波束成形
無線電發射器和接收器硬體會帶來非對等的失真，例如：頻率響應的不平坦和不想要的通道耦合。在閉鎖迴路（closed loop）或進階模式（advanced）中，會透過校準的程序，將波束成形的線性不對等列入考量。如果硬體的效能可能已經改變了，例如：在溫度已經穩定下來之後，就需要進行校準。
閉鎖迴路的波束成形可提供最高的效能，但也會增加系統設計的複雜度。裝置之間必須送出額外的資料，以產生數位編碼的修正係數，這表示不僅設計時要格外留意，而且需要進行更加複雜的互通性測試。這些較進階的模式中，有些可能會列入802.11n標準的選項部分。
附帶一提的是，若要測試波束成形的運作，其測試模式還有待定義，但測試原理在於將各種通道狀態資訊饋入待測物（DUT）的接收器中，然後測試發射器的反應，而這只須使用AWG的方式就可以做到。

無線電系統的方塊圖

MIMO無線電系統的各個硬體和軟體組成部分與標準的OFDM WLAN設計有許多雷同之處。多重RF通道可以用不同的本地振盪器，或是具有單獨的前端模組的整合式收發器和LO，以分開的收發鏈來設計。
所有會影響SISO OFDM設計的不良狀況，如：相位雜訊和信號壓縮，在MIMO無線電系統中也都需要加以測試。此外，通道間不想要的交互影響也需要進行測試，在DSP層級所發生的改變就是一個例子，可以看出數位硬體的交互影響可能會造成類比信號出現轉態的情形，而這種現象只有當整個系統以一般模式運作時才會顯現。
通道內的信號之間會交互耦合是通道中固有的行為，但如果在天線和類比／數位轉換間出現不想要的耦合，就會降低空間頻道的效能。在類比RF中，這就好像在回返損耗量測的路徑中放置一個衰減器一樣。
【圖十五】是一個2×2配置系統的主要組成要件。在實際的應用上，可能會使用第三組接收器或更多的發射鏈。所支援的空間資料串流數取決於使用了多少組獨立的發射－接收鏈，任何硬體的增加都是為了提高頻道的分集性。
接收器的設計是MIMO無線電系統中最複雜的部分之一，不僅個別的頻道須具有與SISO無線電系統相同的相鄰頻道與干擾拒斥特性，而且也必須要能將MIMO信號的空間資料串流分開，因此準確的通道估測尤其重要。設計的取捨是必要的，也會造成效能上的差異，系統整合者在選擇不同廠商的產品時，不能不將這些因素區隔開來，而且需要用到一些測試信號的組合才能做到。[upload=jpg]UploadFile/2007-3/07313@52RD_pic1_2006628104243626461.jpg[/upload]
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