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仿真技术在天线方面的优势
点击次数:2495 发布时间:2009-03-12
无线技术的发展,在快速提升传输能力的同时,频谱利用率也在不断增加。新一代移动通信(B3G/4G,)将可以提供高达100Mbit/s甚至更高的数据传输速率,在有限的频谱上实现通信的高速率、大容量和高质量,这对无线技术开发提出了更多的要求,智能天线技术获得了广泛的应用。

智能天线与无线信道仿真

  智能天线原名自适应天线阵列(AAA,AdaptiveAntennaArray)。zui初的智能天线技术主要用于雷达、抗干扰通信、定位及军事通信方面等,完成空间滤波和定位功能。智能天线系统在无线链路的发射端和/或接收端带有多根天线,为了利用移动无线信道的空间特征,智能天线系统中的信号都进行了自适应处理。根据信号处理是位于通信链路的发射端还是接收端,智能天线技术被定义为多入单出(MISO,MultipleInputSingleOutput)、单入多出(SIMO,Single Input Multiple Output)和多入多出(MIMO,Multiple Input Multiple Output),具体结构如图1。其中MIMO技术充分开发了无线信道的空间特性,利用空间维数可以增加无线网络的容量,可以在不增加频谱资源和发射功率的情况下,大幅度地提高频带利用率、系统容量和业务的可靠性。现在,MIMO技术已经被3GPP的高速下行分组接入技术(HSDPA)、无线局域网(WLAN)IEEE802.11和无线城域网(WMAN)IEEE802.16标准所采用。


图1 智能天线结构示意图

  TD-SCDMA作为中国自主开发的标准,给了中国无线产业链企业一个成长壮大,追赶西方技术潮流的机遇,而标准的开发和商用,离不开出色的测试技术保障。MIMO技术的盛行,对无线测试提出了新的挑战,安捷伦中国通信产品中心市场Mario Narduzzi谈到,B3G时代无线网络测试需要面对的是智能天线为主的多天线技术,对抗多径问题的同时需要提高信号吞吐量,特别是MIMO需要对真实信道的场景进行测试,这其中的难点就在于模拟MIMO测试的场景真实性,同时MIMO信号的配置也非常重要。要模拟测试场景的真实性,必然需要高可靠性的无线信道仿真技术。

  现有和未来的无线通信系统需要实现高数据率,高可靠性,高度稳定的服务质量,高频谱效率和高速移动性。充分理解无线信道并考虑其特性已经成为无线产品设计中至关紧要的因素。无线系统和产品研发工程师都知道一旦工作与无线信道有关就会变得麻烦起来,因为信道并不在实验室中,而且随时间、地点和地理条件变化。信道仿真仪把无各类无线信道环境带到工程师的实验室中,使他们能够考虑多径衰落,信道相关性,噪声与干扰等因素带来的影响。因此如今的产品性能测试、一致性测试和同类产品比较测试都需要考虑无线信道的影响,信道仿真仪市场正在不断增长,而且其增长率高于测试与测量市场的平均值。这反映了无线通信系统的趋势是越来越复杂的技术综合。

  无线通信技术发展迅猛,信道仿真技术必须发展得更快。一般说来,信道仿真仪属于测试测量范畴,其性能必须大大优于被测设备的性能。信道仿真仪结合了多种技术,如高性能DSP,高质量的RF设计,大量的嵌入式软件和友好的人机交互界面等等,其复杂程度极高。

MIMO信道模型的发展

  任何无线通信系统的标准都需要一个信道模型作为性能评估和比较的基础,而该模型必须充分体现出目标应用信道的各种特性。由于MIMO技术优势是建立在空间特性的利用上,所以MIMO的信道模型必须充分模拟信道的各种空间特性。

  在早期MIMO信道模型研究中,为简化分析,通常假设天线阵列周围存在大量散射物,且天线元间距大于半波长,不同天线的信道衰落是不相关的。在仿真中通常利用3GPP中的TU信道来模拟MIMO信道,各个TU信道是独立产生,相互之间独立,即相关系数为零。

  随着MIMO信道研究的发展和趋于成熟,人们发现随着MIMO信道相关性逐渐增强,MIMO信道的容量将急剧下降。当信道存在相关性时,早期部分将MIMO技术研究成果应用于无线通信系统中时,性能将急剧降低甚至于不能正常工作,而在现实环境中具有相关性或相关性强的MIMO信道环境又大量存在,所以在MIMO信道的研究中要考虑建立接近实际信道环境的MIMO信道模型。下面简要介绍在3G以及B3G/4G系统中采用的MIMO信道模型。

  3GPP在TR25.996中提出的SCM信道模型是为载频2GHz、带宽5MHz系统设计的,它是基于散射随机假设建立的信道模型,基本原理是利用通过统计得到的信道特性,如时延扩展、角度扩展等来得到信道系数并通过在公式中引入天线间距得到信道之间的相关性。主要定义了3种场景,即市郊宏小区、市区宏小区和市区微小区。在3GPP LTE中采用的也是这种SCM信道模型,只不过实现方法从原来的基于几何统计法简化成为相关矩阵法。

  在未来B3G/4G系统中所采用的SCME信道模型是SCM信道模型的扩展。扩展保持简便性和向后兼容性,即SCME信道模型要能够向后兼容SCM,这样就保持了模型的一致性和可比性。信道扩展是因为在IMT-Advanced系统中带宽扩大到20~100MHz,所需要的抽样频率也大大提高,每条链路能分辨的延迟数目也随之增大,SCM模型6条延迟路径不再满足系统的需要。

  在MIMO应用领域则有两种不同的建模方式。一种方式是应用于标准的一致性测试中,采用定义MIMO信道间相关性的方式。另一种方式则是基于几何信息来创建MIMO模型。测试解决方案则要求达到“端到端”,OTA(Over the Air)和网络级测试将成为未来仿真仪应用发展的主要方向:

  1. 虽然单链路的测试需求很常见,但是我们相信未来网络级测试会成为主流。网络级测试是指在实验室中链接真正的基站和终端来测试全网性能。这样对信道仿真仪的挑战就是大量的基站与终端间的链接同时存在。

  2. OTA测试是终端测试领域的另一个增长点。传统测试是通过电缆连接终端天线的传导性测试,而OTA测试中经过衰落的测试信号在暗室中向终端辐射。传导性测试中天线特性完全被忽略,而在LTE和HSPA中的多天线方案使终端天线占有重要位置,天线对终端性能影响显著,但在传导测试中因无法测试,使终端性能结果准确性受到影响。
  
解决方案

  的,可重复性的,节省成本的和易于控制的实验室测试要求越来越接近真实的空中接口环境,因此需要更真实的信道和无线环境仿真。多天线和MIMO系统仿真中到底需要什么样子的无线信道仿真仪?

  来自芬兰的伊莱比特(Elektrobit,EB)公司日前推出一个全新信道仿真平台,用以实现WiMAX、LTE和4G通信系统的测试。基于这个崭新的平台,伊莱比特同时推出*款新产品EB Propsim F8,通过为现有及未来无线通信系统提供完全的信道仿真,将信道仿真性能推向更高境界。单台Propsim F8可支持双向4x4 MIMO仿真,共有32个衰落通道,也可以在单台F8中配置多个MIMO系统,例如可以模拟1个双天线的移动终端与2个双天线基站之间的切换通信,每个链接都可以配置为上下行双向的2x2 MIMO连接,通过多台级联能够使仿真信道数目倍增,是OTA测试的重要组成部分。EB Propsim F8拥有出色RF性能,频率范围350 ~ 6000MHz,支持125MHz的信号带宽。从EVM这一描述RF性能的典型指标来看,其EVM小于-50dB。


图2  EB Propsim F8

  在新仿真平台的开发过程中多天线应用是测试着重考虑的课题之一,EB进行了良好解决。仿真仪要满足多天线测试必须具有足够多的衰落通道,良好的RF相位稳定度,高性能DSP和先进的信道建模软件工具。在波束赋形测试中相位稳定度更是关键指标之一,这是由于波束赋形的原理正是建立在基站端的相位控制上。波束赋形应用中对无线信道建模也有特殊需求,典型测试例中需要定义信号从各个特定的角度到达。实际应用中用户也是在网络内移动的,对于基站来说必须持续地估计用户在网络中的方向并对基站控制软件作必要地调节。EB Propsim F8提供了波束赋形测试中的所有*因素。

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