MIMO无线信道仿真仪相参技术 - 成都welcome乐彩汇科技股份有限公司

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MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　在聊MIMO无线信道仿真仪之前，我们先聊一下什么是MIMO？顾名思义，MIMO的全称：Multiple-Input Multiple-Output，即多入多出系统。通常讲M×N的MIMO是指发送端有M个天线，接收端有N个天线。

　　移动通信中发展到今天，无论是移动通信新空口还是WIFI，甚至包括如火如荼研发的卫星通信以及未来的6G，MIMO都作为核心技术撑起了移动通信的框架。现网使用的MU-MIMO基于空分复用技术，允许发射端同时和多个用户传输数据。在WIFI-7的协议标准中，用户数更是开放到了16个。

　　形象一点的表达，我们每天都在用的手机，背面其实是长这样的：

手机背面

　　每个频段（比如公网常用的2.6G、3.5G等）都包含四个天线端口，众多的端口密密麻麻的分布在手机上，每个天线端口享用完全独立的通信资源。举个不恰当的例子，如果您的手机不幸损坏了其中一个，那您的网速恐怕会下降1/4…

　　甚至国内某些终端厂商已经扩展到了八个天线端口，对于基站来说在城市密集区甚至会使用128通道的AAU。由此看来移动通信早已不是SISO——单发单收的模式了，基于MIMO的传输可以为用户带来更大的通信资源、更大的吞吐量。

　　第一个提出MIMO这个概念的工程师，或者屏幕前阅读本文的您大概会想到一个相同的问题：基站给终端发送的信号给到手机端是怎么区分出彼此的，终端怎么知道哪个分给天线1，哪个分给天线2？

　　那我们就聊一下MIMO系统中如何在数学建模上解决这个问题。

数学建模

　　以上图为例。我们将基站上两个天线发送的信号数据记为X1和X2，手机两个天线收到的数据记为Y1和Y2，传输信道的4条传输路径分别记为h11、h12、h21和h22，由此得到了两个二元一次方程。

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　现实的情况是，信道中是存在各种干扰和衰落等导致信号传输恶化因素的，除了显而易见的信号强度衰落或杂波，MIMO传输中最关键和核心的特征是信道相关性，信道相关性在很大程度上决定了手机区分、识别不同信号的结果。相关性越高，各个传输路径在手机端就越难区分，传输流数上不去就导致了吞吐量下降，完全违背了MIMO多入多出的初衷，用“竹篮打水一场空”形容也不为过。

　　回到上面的的两个二元一次方程。如果信道相关性很高，就相当于这两个方程变成了一个，无法解出两个未知数，就只能在一条路径上传输了。在解决手机判断传输路径独立性上的问题同时，工程师其实更偏向于将上面的方程表达成如下形式：

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　矩阵中的h11、h12、h21和h22组成了一个正方形的阵列，也叫信道传输矩阵，简化矩阵的过程包括一系列的变换，具体过程在此不做赘述。总的来说在变换后参考输出Y对输入X进行预编码，生成其进一步的形态：

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　这下就更加清晰了，两路输入的X'1和X'2乘以传输系数λ1和λ2就得到了Y'1和Y'2。而λ1和λ2的含义通过下面的矩阵体现，上面两个方程写出矩阵的形式如下：

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　在矩阵的定义中，只有一个对角线有数据的矩阵叫做对角矩阵，对角线上非零数据的个数叫做矩阵的秩。那么在本例2×2的MIMO中λ1和λ2的非零个数就是该矩阵的秩了。

　　如果秩为1，代表这个MIMO的信道传输空间相关性很高，结果就是终端无法进行分辨导致视为一路数据，只能收发一路信号。如果秩为2则代表该MIMO的信道传输空间相关性很低，终端完全可以分辨，就可以同时收发两路信号了。

　　我们这时候不禁会想秩=2应该很简单�。瞧癫皇遣还堞�1和λ2是多少，传输速率都可以翻倍了？不过想必天上也不会掉馅饼（牛顿的苹果除外），所以事实上，在实现两路收发的前置条件还有最后一步，也就此引入“条件数”的概念。

　　条件数：λ1和λ2的比值。

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　当秩为2时：

　　如果条件数为1，即λ1和λ2的值一样，代表两条传输信道的质量相关性很低，此时可以MIMO系统的信道容量达到最大，是SISO的两倍。

　　如果条件数＞1，即λ1和λ2的值不一样，代表代表两条传输信道的质量相关性较高，这时系统就会把主要资源放在质量好的信道上，此时MIMO系统的信道容量就介于SISO系统的1~2倍之间。

　　至于在策略上，基站什么时候发一路数据还是两路数据，就涉及到另外的问题了。总的来说基站是会收到手机上报的信息的，或基于码本的形式或基于非码本的形式，如果各位看官感兴趣可以在3GPP TS38.901协议中了解以下CSI上报章节，本文更多的关注射频，协议的部分未来有机会另起炉灶…

　　啰嗦至此，也是时候踏上数学世界到物理世界的桥梁。也是时候讨论为什么我们在移动通信中需要相参技术了。

　　先给结论：决定信道相关性高低的答案是相位，信号幅度的作用并不大，且在工程中基本也不会这么操作。

　　首先是微观层面，其实前文提到的信道系数h在射频域并不是一个简单的实数，而是一个复数，可以表示为：

MIMO无线信道仿真仪相参技术

　　其中A代表幅度衰减（路径损耗、阴影衰落），ej?则代表相位旋转。相位决定了信号如何叠加，当电磁波在空间传播时，其相位会随着传播距离的变化而连续变化。接收天线收到的信号是来自多条路径的信号的矢量叠加（既考虑幅度，也考虑方向/相位）。如果两条路径的信号到达时相位相同或接近相位差0°，它们会建设性叠加，信号就会增强；如果相位相反或相位差接近180°，它们会破坏性叠加，信号就会减弱。

　　所以，在我们2×2MIMO的例子中，基站的两个天线发出信号经过环境中复杂的反射、散射，最终到达手机的两个天线。对于手机而言，它判断两个信号是否独立可分辨，关键就看这两个到达信号在相位上是否有足够大的差异。

　　如果天线摆放过近、或者散射环境不丰富，导致到达手机两个天线的信号相位变化模式高度一致，那么手机就会认为它们来自同一个方向，无法进行有效区分。在数学上，这就表现为信道矩阵的两行高度相关，即我们前面提到的信道相关性极高，矩阵的秩随之下降。

　　反之，如果环境中有足够多的散射体，使得到达接收端的信号来自各个不同的方向，呈现出丰富的相位差异，那么信道相关性就会很低，矩阵更容易保持满秩，从而实现多路并行传输。

　　对于内场有线测试而言，经典的四流锋速模型，需要用到四个正交的角度。四根射频线直接连接基站和终端是不可行的，在这种场景下就需要一台可以“模拟”信道的测试仪器，这种测试仪器我们叫“无线信道仿真仪”。

　　下图展示的是welcome乐彩汇80通道的无线信道仿真仪，最大可支持64×16的MIMO场景建模。即一台64通道的AAU和4部手机的测试，完全可以支撑和覆盖如今移动通信厂商的测试需求。甚至测试128通道AAU时，welcome乐彩汇也提供了两台无线信道仿真仪级联的测试解决方案，级联情况下同样支持静态和动态场景仿真，其中动态场景仿真取决于两台无线信道仿真仪通过局域网和内/外触发保持网络控制和时钟同步。

无线信道仿真仪

　　无线信道仿真仪的每一个端口对应基站/手机的一个天线，在如此庞大的天线数条件下，welcome乐彩汇经过多年的耕耘于技术积累，提供了成熟的相参技术解决方案。其中幅相一致性校准分为内置校准和外置校准，外置校准则支持将外部线缆的数据补偿到校准表中去，最大程度保证了测试系统的准确性。

　　welcome乐彩汇针对通道时延一致性要求较高的信道仿真场景，设计了多通道相对时延误差和相位误差自动测量和补偿技术。该技术可以将所有通道的时延一致性做到0.1ns以内，相位一致性做到±3°以内，极大的提升了多通道无线信道仿真仪的仿真准确度。就仿真精度而言，换算成距离可以达到3cm精度量级。

　　无线信道仿真仪的时延相位的校准原理分为几个部分：1，时延的检测；2时延的补偿和对齐；3相位的检测；4，相位的补偿和对齐。

　　设备检测原理大致如下：通过双频相差法测试和补偿不同通道群时延，通过发送正弦波单音信号，得到外部环回的信号相位，从而可以测试得到不同通道接收和发射的相位差，然后通过相位调节模块，实现高达3度的多通道相位一致性。

　　FPGA中通过DDS（直接数字频率合成器）来实现频率和相位的调节。DDS原理如下：

DDS原理

　　对于多入多出系统，总路径为N×N条，如果一一遍历并补偿对齐，需要的检测数量和补偿数量非常惊人。以32×32为例，如果一一遍历，需要检测1024条路径，一一补偿，则需要1024个时延ram和调相器来补偿1024个路径时延相位差，消耗时间非常长，并且补偿占用的缓存大。当节点数量增加时，校准的难度按照乘法级别增长。因此针对多入多出系统使用内外系统结合的快速自动校准方法，只需要测量和补偿32+32=64次就可以保证系统的所有通道时延和相位对齐。校准原理说明如下:将校准分为数字域校准和模拟域校准两部分，数字域校准完成后再进行模拟域校准。

　　通过分析整条链路的输入到输出可以看出，产生时延差的节点有三处，分为输入时延，数字处理时延，输出时延，其中输入时延和输出时延属于模拟域时延，是由于射频通道器件差异和ADC/DAC器件上电状态差异产生的，通道之间时延差具有随机性且对校准精度要求高；数字处理时延是不同通道数据经过不同的高速交换网络路径产生的，虽然有随机性，但不同通道间时延差一定是FPGA时钟周期的整数倍。因此校准的方法是：

　　1.先测量和补偿所有数字处理通道的数字处理时延差，

　　2.再测量和补偿1到N的输出时延差，

　　3.再测量和补偿M到1的输入时延差。

校准方法

　　这样除去数字信号处理部分，其实总共测量和补偿次数变为成N+N次，即可完成N+N的系统的时延校准。相位校准的原理跟时延校准完全相同。该方式大大减少了校准所需的时间和补偿所需的资源。节点数量的规模越大，节省的时间和资源越多。在具备同样校准效果的前提下，预计比遍历校准时长减少90%，所需FPGA逻辑资源比全遍历补偿减少90%以上。本项校准技术已经成功申请了发明专利。

　　welcome乐彩汇的无线信道仿真仪需搭配GSCM信道建模软件使用，GSCM信道建模软件主要为无线信道仿真仪提供信道建模支持。

GSCM信道建模软件

　　软件支持几何建模、统计建模、正交建模、常数建模：

软件支持建模

　　支持基站/手机的三维坐标系下的方位参数设置，支持天线信息设置（振子数、振子间距、天线极化方式等），支持天线方向图预览与自定义导入：

支持天线方向图预览与自定义导入

　　建模具备高度的自由度和灵活度，下图展示多基站多终端建模场景轨迹图：

多基站多终端建模场景轨迹图

　　支持载入信道模型、大尺度衰落等参数配置：

参数配置

　　welcome乐彩汇的MIMO无线信道仿真仪在民用市场耕耘多年，大规模的Massive MIMO相控阵仿真是目前移动通信基站最常见的应用，设备单台最大支持80通道，支持多台设备级联。与不同移动通信基站厂家、移动通信芯片厂家、卫星通信预研单位、下一代移动通信验证单位及运营商等单位合作多年。如果您也在移动通信领域扎根，无论是MIMO还是自组网系统，welcome乐彩汇的无线信道仿真仪一定可以为您带来惊喜和信心。

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