MIMO仿真测试的技术要求及解决方案

    1、概述

    MIMO（Multiple-Input-Multiple-Output）时空编码无线通信因其在传输速率、移动性、频谱效率、无缝覆盖等方面具有明显的优势，正逐渐成为现代通信系统的关键技术。目前，在全世界范围内围绕这种技术展开了广泛的研究。在WiMax，WLAN、3G、B3G等领域，各种新型的技术标准正在逐渐形成。

    然而由于MIMO技术本身的复杂性，系统的性能模拟并不简单。一些用于系统模拟及仿真的信道模型和算法并不符合实际无线信道的实际情形。实践证明，为了对MIMO信道和系统取得深层的理解，进而优化MIMO通信系统的性能，一种高精度、高稳定度、高保真度的信道仿真设备可对科研和系统测试工作带来无与伦比的便利和效率。Elektrobit公司的高端信道仿真设备（PropsimTMC8）支持MIMO系统仿真、多路径、多通道，可以完成多达4×4的MIMO系统仿真。

    以下首先简述MIMO仿真系统的基本技术要求，然后介绍基于PropsimTMC8基础上的MIMO仿真解决方案。

    2、MIMO仿真的基本技术要求

    在进行MIMO仿真时，信道仿真设备必须能产生精确和符合实际的信道响应，才能对MIMO通信系统的性能做出客观的评估。首先，仿真系统的各项参数，如各信道和路径之间的相位误差、幅度分配误差和时延误差，各信道间的相关性设置以及计算得到的相关矩阵的精度等等都会影响测量的真实效果。其次，仿真设备的同步和工作稳定性也会对测量结果造成很大影响。当然，信道仿真设备所使用的信道模型必须真实反映MIMO信道的时空特性和多径衰落效应。另外，实际信道测量结果表明各MIMO子信道间具有不同程度的相关性，而不是理想条件下的完全独立情况。因而在实际测试时也要考虑这种相关性来保证系统性能测试的准确度和可信度。

    2.1时延精度

    在实际信道环境中，高频无线信号通过很多路径进行传输，以不同的空间方位角和不同的时延到达接收端。相对路径时延的仿真精度对TX/RX天线阵列（智能天线）的评估尤其重要。这是确保信号分配和组合准确性的先决条件。因而逻辑上就要求仿真器设计尽可能紧凑，信号的处理和传输尽可能在仪器内部实现。

    PropsimTMC8一台设备就可以支持多达16个独立信道，每信道24径，所有信号的分流和复合功能全部内置，全数字化处理，保证了径时延的精度和稳定性。

    2.2相位精度

    同样，多信道和多路径信号间的相对相位精度也是MIMO信道仿真中的另一个关键因素。

    PropsimTMC8信道间的典型相位误差为2度左右（日常校准后），在进行对精度要求更高的研发工作时，可以通过2～4小时间隔的校准，达到1度的相位精度。PropsimTMC8路径间的相对相位误差精确至可忽略不计的程度。另外，C8系统设计紧凑，所有通道的模块全部通过一个背板上的总线连接，可以非常精确地控制相位的漂移，保证实际精度。

    2.3功率分布精度

    如果进行天线阵列的波束赋形方面的研究，对功率分布精度的要求尤其明显。

    PropsimTMC8各个信道间的幅度误差最大为0.5dB，完全可以符合实际使用时的要求。

    2.4AWGN噪声源

    噪声源是MIMO仿真的另一个需求。科研人员往往需要精确测试信号和噪声功率、精确设定信噪比（SNR）。

    在PropsimTMC8设备中，每个信道都可以配置独立的AWGN噪声源，噪声功率可以精确设定，也可以在固定SNR值时进行设定。如果在某些测试案例中需要固定SNR值，C8会在数字层面上测量信号功率，从而精确设置SNR值。这种方式比起模拟层面的信号功率测量更为精确和快捷。所得到的SNR可以在很短时间内达到0.3dB的精度，而且这个精度在很大的功率动态范围内都可保证。这种绝对功率控制模式使得根据3GPP基站测试规范的实现成为可能。

    2.5干扰源

    在无线系统中，存在各类干扰源。而且越来越多的无线系统的应用对需要考虑的干扰信号类型和数量要求越来越高。不仅今天的研发人员要精确定义干扰信号的类型和强度，而且在宏观上，国家网络规划人员也需要全面考虑目前和将来的无线系统中所面临的干扰信号及其各种干扰信号对通信系统的影响。

    PropsimTMC8中可以像加入AWGN信号一样加入各种干扰信号。更具吸引力的是由于设备是一个集成度很高的数字系统平台，通过软件升级就可以方便添加干扰源。

    2.6信道相关性

    MIMO信道仿真中一个最重要的方面就是要能够调整和设定不同衰落信道及不同衰落路径间的相关系数，设定完整复杂的相关矩阵，PropsimTMC8充分支持这种功能，它对智能天线和波束赋形技术尤其有用。

    图1 在PropsimTMC8中构建MIMO系统模型

图2 PropsimTMC8信道相关矩阵的设定

    3、PropsimTMC8MIMO仿真解决方案

    3.1PropsimTMC8MIMO仿真平台的构建

    如图3所示，使用一台PropsimTMC8便可实现4×4单工MIMO仿真。系统构建简洁，无需繁复的外部电缆和分路/合路、功率/相位/时延等的调整器件。C8内置了绝大部分此类模块连接功能和元器件。

    图3 PropsimTMC84×4单工MIMO

    PropsimTMC8给科研和测试人员提供了一个可灵活配置的仿真系统平台。如2×2MIMO双工（图4），2×3，2×4，4×2MIMO系统。利用内置和丰富的信道和路径资源（8信道、48径/信道，或16信道、24径/信道），这些配置都可以在操作方便的图形用户界面（GUI）来完成。

    图4 PropsimTMC82×2双工MIMO

    3.2PropsimTMC8的其它优势

    3.2.1优越的基于文本原理的仿真

    PropsimTMC8基于仿真文本的工作原理，相对于硬件实时仿真主要具有以下优点：

    *确保100%衰落环境及测量结果的可重复性，而不仅仅是统计意义上的简单测试重复。基于文本原理的仿真还可以将仿真过程冻结在某个特定的系统状态，进行慢速、逐步或重复播放。此功能在系统调试、纠错和比较阶段极为有用。

    *基于文本原理的仿真系统在增加新型信道模型方面更为灵活，只要通过软件升级即可。而硬件实时仿真系统内置随机序列发生器，是否能增加某种信道模型取决于其信道模型的特性。

    3.2.2自动同步

    PropsimTMC8中的所有信道模块均连接于同一个仿真控制单元上，使用同一个内部时钟，从而工作自动同步。仪器本身还有同步和时钟信号的输入和输出端口，可以保证多台仪表一起同步工作。

    3.2.3简捷的校准过程

    PropsimTMC8的校准过程极为简捷。校准时将一个信道作为参考信道，使用VNA仪测量其相位响应。其它信道则以此信道为参考进行测量和调整。整个校准过程均通过操作简单的GUI工具来完成。

    3.2.4直观的用户界面

    使用PropsimTMC8图形用户界面（CUI），通过非常简单的操作，就可以创建复杂的MIMO系统模型，选择信道模型，和设置相关矩阵等。也可直接输入每个衰落路径的TX和RX相关矩阵。即使使用多个仿真仪进行更大系统仿真，所有操作还是可以通过单台PropsimTMC8的GUI完成。

    4、结论

    MIMO仿真系统最重要的技术要求就是尽可能保证仿真精度接近于现实环境。也正是因此要求决定了仿真系统设计的复杂程度。PropsimTMC8的设计基于Elektrobit公司在信道测量、信道建模和信道仿真领域所长期积累的丰富经验，是专为MIMO研发和测试人员和机构提供的高精度信道仿真设备。自进入市场以来，PropsimTMC8已被广泛接受和认可，并成为全球MIMO仿真和下一代通信系统研发和测试机构的标准仪表