MIMO WLAN的RF运作原理与量测
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如何达到100 Mbps的传输速率 一些信令协定(signaling protocol)的改变以及加入多重通道的射频传输技术,将可以大幅提高WLAN 系统的效能。众所皆知,现有WLAN OFDM 技术(如IEEE 802.11a)的最高资料速率并不能反映出使用者实际可以享有的资料传输速率。如图1 所示,资料速率指的是封包的实体资料段(payload)中的编码位元,实际上,有相当多的时间并不是以这个速率传送资料,因此,最高的资料传输速率通常只能达到最高资料速率的30 至40% 而已。为了解决封包传送机制中会增加的传输负担问题,需要在媒体存取控制(MAC)层做一些修改,例如,将数个封包合起来传送,使得资料传送週期的间隔能缩到最小,并透过区块确认(Block Acknowledgement),减少确认封包的数目。 另一种方法是将实体资料的长度拉到最大。实务上,射频通信环境对于可以连续传送多长的资料会有所限制,这是因为发射器和接收器之间的路径经常在改变,针对一个特别的状况调整好之后,该状况可能也只能维持几毫秒的时间而已。同时传送多个个别的封包,每个封包都包含部分的表头(header)资讯,也是另一种可以满足大部分需求的可能性。少量地增加OFDM 次载波的数目、将OFDM 保护区间(guard interval)减半、或是减少导引次载波(pilot sub-carrier)的数目,都是值得尝试的改良方法,实做出来将可以提高传输速率,又不会对通道的频宽造成不利的影响。为了支援MAC 层和实体层的改变,也提出了一些新的协定管理封包,可能也会推出(RIFS)等方法。
图1:简化的WLAN OFDM 封包时序。 改良封包结构之后,可以思考射频通信效能的改善之道,共有三种可行的方式,通道容量的标准方程式指出了其中两种:
其中 方程式一:单一通道容量的表示式 首先,如果以更快的速率,将资料调变到RF 载波上,就能以更快的速度传送资料,但也会即刻增加佔用的频宽。某些WLAN装置中已经使用了这种方法,可以将发射器基频的时脉速率加倍。这个想法经过修改后将成为802.11n 装置的选项,其缺点是有些频谱管理机构禁止这样做。如果有一些不同代的无线网路基地台(Access Point)各自独立地运作时,在此情况下可能不会以最有效的方式分配频谱的容量。 第二种方法是改善信号/噪音比,以使用较复杂的调变格式。原则上,从目前的64QAM 改为256 QAM 可以大幅提高传输率,而且不会增加佔用的频宽。但实务上,不论是改善接收器的信号/噪音比或是产生256 QAM 的信号都有其困难度。使用多个接收器和运用分集的概念是值得尝试的SNR 改善方法,但处理256 QAM 信号所要求的硬件效能会需要增加额外的成本。即使能够充分地改善S/N 比,最多也只能以对数的比例提高传输率。未来IC 技术的效能或许可以进行更复杂的调变,不过目前还可以藉由运用MIMO 技术,採取第三种方法来增加容量。 | |||||||||||||||
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多重通道的无线电系统与空间资料串流(spatial stream)-MIMO 正在使用或考虑要使用的“智能型天线”和多重通道技术有很多种,因此有必要先确立所使用的术语是相同的。如果一个无线电系统在发射端和接收端使用的天线都不止一组,它或许具有多重通道的能力,但不表示它採用的是空间多工(spatial division multiplexing)的方法。输入和输出无线电通道的数目决定了它是哪一种的无线电系统,MIMO指的是:要使用两个或多个通道的输入端和通道的输出端,请参见图2。而且,需要採用空间多工法,才能提供方程式二所描述的增加容量的好处。 [
图2:无线电技术是依据所使用的通道类型来定义的。 IEEE 802.11n 工作小组已转向于制订更先进的无线电系统,称为多重输入多重输出或MIMO。这项技术可以让我们并行地送出资料串流,概念上有点像是使用缆线而非无线电。之所以能够这么做的理由是因为:两支天线间的典型WLAN 射频路径特性有一大部分会取决于天线放置的位置,如果将天线移动几公分(半个波长),就需要使用不同的系数来定义新路径的方程式。这样的差异可以用数学的方式将信号分开来,于是兴起了(spatial separation)和(spatial streams of data)串流的概念,并藉由实际上分隔开来的不同组天线来实现。 如果同时从一些天线发射信号会得到一连串的方程式,描述合在一起的路径之间的通道长什么样子。一旦掌握了通道的传输特性,就可以明瞭一起传送出去的资料在通往接收天线的途中,是如何合在一起的。数学上,由方程式二的总和符号可以看出,容量会随着发射-接收链的数目N 增加而线性增加。若要实现这样的效果,同一个信号必须同时使用每一个发射-接收链。它是方程式一的延伸,而且多了一个新的变数 ,这是无线电通道的(Singular Values),也是MIMO 通道容量的量测指标。 其中,,N=独立的发射-接收链数目、 = 无线电通道矩阵H 的单数值
图3:更加简化的2*2 MIMO 通道范例,有助于解开一些MIMO 运作的奥秘。 这些系数显然不能代表一个真实的通道,但其目的是要告诉我们如何利用接收到的信号R0 和R1,计算出通道的系数。至此,不妨思考看看MIMO 技术是否能够在所有的通道条件下,提供扩增容量的效果,答案是:否,透过前一个简化的范例,大致可以瞭解箇中的原因。在图3 的范例中,通道的单数值分别为0.957 和0.815,算是相当良好的MIMO 通道,因为两个值的比将近1(1.17)。由表1 可以看出,当其中一个通讯连结的系数改变的时候,会出现什么样的变化。如果耦合的系数和直接的系数在数值上差不多,则相位差会变得非常重要。
表1:通道系数改变时,单数值会出现的变化。 通道估测的准确度攸关着信号还原的准确度。造成品质降低的原因有很多种,包括通道中的噪音、失真和量化误差等。为了提醒处理噪音的必要性,可以用一个更完整的表示式来描述图3中接收到的信号: R = H T + n 其中,H 是通道系数的矩阵、n 是噪音因数的矩阵、R 和T 是描述接收到和传送出来之信号的矩阵通道粹取过程中产生的热噪音(thermal noise)和量化噪音(quantization noise)效应对WLAN封包以及射频数字信号处理(DSP)的设计有相当大的影响。另一种看待通道运作的方法如图4 所示。图中的线代表的是R0 和R1 的方程式,线的交叉点则代表我们找出通道系数的准确度有多高。在左上角的图中,可以很清晰地辨别两条线,表示其信号/噪音比很高。而且,这两条线几乎是正交的(彼此呈直角交叉),因此可以非常准确地测定交叉点,表示可以准确地解出通道方程式。在左下角的图中,线就没有那么明显清楚了,表示是一个低信号/噪音比的信号。两条线也几乎呈正交,因此仍然可以相当准确地解出交叉点。在右上角的图中,两条线的角度缩小了很多,因此两条线交叉的区域大幅增加了,使得斜率的估测精确度变差了。 最后,在右下角的图中,加入了更多的线,代表更多的方程式,这是使用更多支天线所产生的。使用更多的线(方程式)有助于提高交叉点位置的部分解析度。 如果反射无法形成传递路径的一部份,则通道系数较有可能是相似的(相互关联的)。keyhole 通道就是一个可能发生这种情形的例子,将这种通道看成是包含了一个小的窗口(开口)会比较容易想像。实务上,其它结构(如金属屋顶线)也可能造成通道路径的差异性降低,导致相同的结果- MIMO 的容量减少。
图4:MIMO 信号还原的误差大小取决于通道的差异性有多大和噪音有多少,此图中的线代表的是用来计算通道系数的方程式。 ■1.延伸的封包结构
图5:经过修改的WLAN 封包可进行MIMO 运作,Greenfield1 或Pure Mode2 封包不需要提供传统的週期(legacy period),因此可以达到更高的传输率。 ■2.通道估测
图6:四个通道的频率响应范例,这是利用两部E4438C 产生交错式的多频信号,经双通道的89640 VXI系统接收后所得到的结果。 ■3.分码多重存取(CDMA)与MIMO 的比较 在CDMA 中,每一位使用者所属的信号都会透过一个独特的编码,与其他使用者的信号分隔开来。编码的设计互不相同(呈正交),让接收器只能解出单一个信号,而其它信号看起来则像噪音一样。随着使用者的人数增加,有效的噪音位准也会提高。当接收器再也无法有效地还原它锁定的位元串流时,就表示达到了系统的总容量。在MIMO 系统中,多出来的发射-接收链(最重要的是包含了实体上各自分开的天线)使用的是射频通信环境的空间分集(spatial diversity)法,以增加实际的总容量。当使用了整个通道的所有空间分割变数,且可用的信号/噪音比够高时,就达到系统设计的总容量了。与CDMA 不同的是,MIMO系统不需要资料信号是相互正交的。 ■4.无线电通道 | |||||||||||||||
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应用在WLAN 的多重通道无线电系统 使用802.11a 形式的OFDM 与MIMO 的运作之间有很密切的关系,一直到设计阶段都是如此。为了瞭解OFDM 如何因应MIMO 的需求,有必要先说明单一输入单一输出(SISO)的无线电系统。 ■1.正交分频调变(OFDM)提要 WLAN 传输的运作基础是只使用每一个单独封包内的资讯来还原封包的内容。在封包(丛发信号)的开始处,有两段训练期间,在第一个8 us的短训练序列中,每第四个次载波会被开启,其相位关系会将峰值对平均功率比降到最低,这段期间可用于接收器的增益设定以及粗略的频率修正。在接下来的8 us,也是长训练序列中,所有的次载波都会开启,让接收器计算通道的频率响应并微调频率的误差。使用OFDM 可以让我们对MIMO 运作用的信号做一些重要的假设。举例来说,每一个次载波的调变频宽都很小,足以假定可以用单一复数系数来表示每一条RF 路径,这就是透过低成本的DSP 实作,让MIMO 运作的通道系数计算变得可行的重要因素。 ■2.分集(diversity)技术 | |||||||||||||||
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无线电系统的方块 MIMO 无线电系统的各个硬件和软件组成部份与标准的OFDM WLAN 设计有许多雷同之处。多重RF 通道可以用不同的本地振盪器,或是具有单独的前端模组的整合式收发器和LO,以分开的收发链来设计。所有会影响SISO OFDM 设计的不良状况,如相位噪音和信号压缩,在MIMO 无线电系统中也都需要加以测试。此外,通道间不想要的交互影响也需要进行测试,在DSP层级所发生的改变就是一个例子,可以看出数字硬件的交互影响可能会造成模拟信号出现转态的情形,而这种现象只有当整个系统以一般模式运作时才会显现。通道内的信号之间会交互耦合是通道中固有的行为,但如果在天线和模拟/数字转换间出现不想要的耦合,就会降低空间通道的效能。在模拟RF 中,这就好像在回返损耗量测的路径中放置一个衰减器一样。 图7是一个2*2 配置系统的主要组成要件。 在实际的应用上,可能会使用第三组接收器或更多的发射链。所支援的空间资料串流数取决于使用了多少组独立的发射-接收链,任何硬件的增加都是为了提高频道的分集性。接收器的设计是MIMO 无线电系统中最复杂的部份之一,不仅个别的频道必须具有与SISO 无线电系统相同的相邻频道与干扰拒斥特性,而且也必须要能将MIMO 信号的空间资料串流分开,因此准确的通道估测尤其重要。设计的取捨是必要的,也会造成效能上的差异,系统整合者在选择不同厂商的产品时,不能不将这些因素区隔开来,而且需要用到一些测试信号的组合才能做到。
图7:2*2 MIMO 发射器和接收器的方块图。 | |||||||||||||||
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发射器测试 大部分的无线电标准都会发展出发射器品质的衡量基准,预计802.11n 也不例外。在撰写本文之际,适当的量测方法还在讨论当中,不过,现有的量测方法中有一些是可以调整适用的。 ■1. 单一通道量测 _功率、功率vs. 时间、CCDF
图8:CCDF 在WLAN 封包不同部份的变化情形。 802.11a 信号的功率攀升方式(power ramp)尚未有清楚的定义,但振幅在前导信号开始处即已稳定下来是很重要的。在第一个training symbol 之前的期间也很重要,因为无中频(zero IF)接收器如果紧接在封包之前感应到一个信号,可能会出现校准不良的情形。 _频谱
图9:功率频谱密度量测出现的峰值,因天线间的交互作用而凸显出来。 除了最高功率的装置以外,这种情形可能不会构成频谱安规的问题,但会对频谱噪音波罩(spectrum emission mask)量测造成影响,因为这项量测是利用最高的频段内(inband)峰值来设定参考位准所进行的,其影响是会提高波罩限制线。闸控式频谱分析是一种功能强大的方法,可以找出信号丛发期间的问题。图18尝试将两组发射器的输出组合在一起,最底下的轨迹就是信号合在一起的结果,频谱中下降点(圈起处)的位置和深度容易受到通道间的时序偏移和平衡所影响。使用合适的测试模式,或藉由量测适当的preamble symbol,或许可以应用这个原理,使用单一输入分析仪来进行简单的交叉通道量测。25 ns 的时间延迟会在20 MHz 宽的信号上造成180 度的相位偏移,或是让图10 中的下降点出现40 MHz 的反覆区间。
图10:将中间有小的週期性延迟的两组信号(上方和中间)组合在一起,会得出明显不平坦的频率响应结果。 将RF 屏蔽拿掉,检查装置之MIMO training symbol 期间的前导资讯部份,展现的则是另一项简单的交叉通道测试。在图11 中,众多圆圈显示的是交错的次载波从一个通道洩漏到另一个通道的情形。这项量测使用的是Hanning FFT 时窗,以提高频率响应的解析度,在training symbol 具有週期性本质的情况下,这是很好的选择。
图11:在长训练序列期间量测到的不想要跨通道耦合。 _自动关联(auto-correlation)
图12:对图6范例中使用的频率交错式信号进行自动关联量测的结果,峰值的相对大小与频道耦合的强度有关。 _频率与相位稳定时间、EVM
表2:使用单一输入信号测试仪器所能进行的量测。 ■2. 双通道量测
表3:多重通道量测硬件选项摘要。 示波器数字转换器的解析度为8 位元,与EVM 等量测的残留误差(residual error)没有直接的关联。如果信号有经过超次取样,就可以提高有效的位元数,此时主要的限制会在于仪器本身的噪音底线。就其可以分析的信号类型而言,示波器显然是非常弹性的工具。若是RF 信号,虽然任何旁生的噪音信号都可能会变成膺频(aliased),混入量测结果中,但仍然可以直接使用高性能示波器进行量测。取样率和记忆体深度决定了可用的撷取时间长度,就同样的记忆体容量来说,取样率为2 或4 GSa/s(视机种而定)在可用的记忆体深度上会相差一大截,而量测速度则会随着取样点数减少而加快。 | |||||||||||||||
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接收器测试 MIMO 接收器处理的是丛发信号中两个主要的部份:通道估测和分开多重通道的资料。在接收器设计的过程中,可以利用发射器测试一章中所介绍的设备,在RF 和(Z)IF 频率分别分辨出丛发信号的这两个部份。图13 显示了测试配置介接点的可能组合,89600 VSA 可以搭配逻辑分析仪以及类比撷取硬件使用。 接收器测试的运作方式取决于控制DUT 的应用软件,一般而言,会使用一些测试模式执行参数测试,这样会比跑完一般的关联计算与资料传输程序来得有效率。在单一通道测试中,RF 位准是主要的控制参数,最重要的衡量指标是灵敏度,也就是在特定的调变速率下,达到指定之封包错误率效能所需的RF 信号位准。若要进行更完整的测试,则需加入相邻通道、噪音和其它干扰。 在多重通道的无线电系统中,接收器测试也是先从同样的单一通道测试开始进行,再将信号源轮流切换到每一个接收器输入端。当进入到MIMO 运作流程时,结果若要有意义,就必须先定义测试通道,也就是要设定通道间的耦合系数,如第一节中所述,这些对决定通道的容量十分重要。在RF-DSP 的设计中,有很多的测试通道需要加以验证,即使是专为802.11n 工作小组所提出的MATLAB? 程式也只能提供一部份而已。
图13:接收器测试的大致配置方式,可以使用示波器或VXI 硬件来测试降频路径的模拟效能。系统测试需要使用特定厂商的软件,对无线电系统的设计者来说,此举可以取得详细的效能资讯和进行完整的控制。 ■1.单一信号源 _提高SISO 无线电系统的灵敏度 _Keyhole 方法 ■2.多重信号源 |
谢谢楼主,真是好资料,顶顶顶。