左右3G系統通訊效能　MIMO通道模擬不可或缺

而MIMO技術結合正交分頻多工(OFDM)技術使用時，可以徹底發揮無線通道的特性，亦即空間分集(Spatial Diversity)和多徑(Multi-path)傳輸，透過更高的頻譜使用效率，達到先進的3G寬頻無線通訊目的(表1)。

表1　採用MIMO技術的各種3G標準及其特性

表2所列為3GPP LTE標準TR 25.913分別採用單一輸入單一輸出(SISO)和MIMO天線配置技術，以固定的64QAM調變深度進行調變所達到的傳輸效能。這些數字代表分頻雙工(FDD)空中介面(Air Interface)在理想的無線傳輸環境中，扣除額外的訊令資料(Signaling Overhead)後的實體限制。

表2　64QAM 3G MIMO在不同的應用方式中所能達到的資料傳輸率

由於在無線通訊系統的發射端和/或接收端使用多支天線，將可開啟全新維度空間，因此如果妥善運用，將可大幅提高系統效能。在MIMO這個用語中，「輸入」和「輸出」指的是無線通道。在發射端配置多支天線代表會有多個訊號源發射訊號到無線通道中，而在接收端配置多支天線則代表無線通道會輸出多個訊號。  

圖1簡單示範了SISO、SIMO、MISO和MIMO系統的差別，從這張圖中可以了解，在配置了T支發射天線和R支接收天線的MIMO系統中，如果每一組發射/接收天線對之間的通道衰減是各自獨立的話，則通道的分集階數(Diversity Order)為T×R。

圖1　SISO、SIMO、MISO和MIMO系統之間的關係

MIMO應用多元  

在高密度的多徑散射環境中，MIMO系統因使用空間分隔的天線而具有空間分集的優勢。MIMO系統可以幾種不同的方式進行設計，以達到分集的目的來對抗訊號衰減，或達到增加系統容量的目的。一般而言，MIMO技術可分為三類。第一類的目的是要達到最大的空間分集性，以提高功率效率，主要採用的技術包括延遲分集、空時區塊碼(STBC)以及空時格碼(STTC)等。第二類是在充滿散射的環境中，使用空間多工法，也就是透過不同的天線來發射各個獨立的資料訊號，以提高資料傳輸率，不過，這個方式通常無法達到最大的空間分集性。第三類必須先了解發射端的通道特性，也稱為波束成形(Beam Forming)技術，它會利用通道的資訊來建立波束成形矩陣，以作為發射器與接收器的前置和後置濾波器(Pre-/post-filter)的參數，從而達到增加系統容量的目的。  

空間分集提高功率效率  

無線通道中的訊號功率會快速地波動，當訊號功率大幅下降時，通道就處於衰減的狀態，無線通道會運用分集技術來對抗衰減效應。接收天線的分集可以使用在SIMO通道，在此系統中，接收天線接收到的是同一訊號分別衰減後的模樣，接收器會將這些訊號合併，所得到之訊號的振幅變化程度會比任何一支天線的小。  

分集特性是由獨立衰減的通道數目來決定的，又稱為分集階數，如果發射天線到所有接收天線的通道具獨立衰減的特性，則分集階數會等於SIMO系統中的接收天線數目。  

發射分集可以運用在MISO的系統中，現已成為熱門的研究題目。要做到分集須適當地設計發射訊號，在接收端，也須應用正確的訊號合併方法，才能達到分集的目的。如果所有發射天線到接收天線的通道具獨立衰減的特性，則此通道的分集性等於發射天線的數目。  

圖2是一個簡單的發射器分集法例子，也稱為Alamouti空時編碼(Space Time Coding)技術。在任一個符號碼週期(Symbol Period)中，兩支天線會同時發射出兩個訊號。在符號碼週期t₁，從零號天線發射出的訊號標示為s₀，從一號天線發射出的訊號則標示為s₁。在下一個符號碼週期t₂中，零號天線發射出的訊號為-s₁*，一號天線發射出的訊號則為s₀*，其中，( )*代表共軛複數運算，此序列如圖2所示。其編碼是採空間與時間編碼(空時編碼)方式，不過，也可以進行空間和頻率的編碼。這種編碼方式不會發射兩個連續的符號碼週期，而是會使用兩個相鄰的載波來編碼(空間-頻率編碼)。MIMO通道的分集須要結合上述的發射分集與接收分集技術，如果每一組發射/接收天線對之間的通道具獨立衰減的特性，則分集階數會等於發射與接收天線數目的乘積。

圖2 採用Alamouti空時編碼技術的發射器結構

空間多工有助增加資料傳輸  

空間多工毋須額外消耗功率，即可線性提高相同頻寬的資料傳輸率。如圖3是一個簡單、有兩支發射天線的空間多工系統，這個概念可以延伸到更一般性的MIMO系統中。所要發射的位元串會被分解成兩個半速的子資料流，經過調變後，從不同的天線同時發射出去。如圖3的例子所示，在符號碼週期t₁中，s₀是從零號天線發射出來，s₁則是從一號天線發射出來。在符號碼週期t₂中，零號天線發射出的訊號為s₂，一號天線發射出的訊號則為s₃。因此，相較於SISO系統，傳輸速率可以提高一倍。

圖3 採用空間多工技術的發射器結構

在有利的通道條件下，接收器接收到這些訊號的空間特徵(Spatial Signature)是完全不一樣的，因此，接收器在知道通道資訊的情況下，可以區分並解出這兩個透過同一通道傳送的訊號。經過解調之後，可以將子資料流併在一起，得到原始的位元串。所以說，空間多工可以提高資料傳輸率，提高的程度與發射/接收天線對的數目成正比。空間多工也可以應用於多使用者的形式，亦即分空多重存取(Space Division Multiple Access, SDMA)。  

假設有兩位使用者分別發射各自的訊號，這兩個訊號送達配備兩支天線的基地台以後，基地台可以區分這兩個訊號，讓兩位使用者同時使用該通道，如此一來就可以增加系統的容量，增加的幅度與基地台的天線數目和使用者的數目成正比。  

波束成形增加系統容量  

不論是空間分集或空間多工，都假設發射器不清楚無線通道的狀況。當發射器知曉通道的狀況時，可以利用這項資訊來提高系統的效能。對通道狀況的了解可以是完整的或部分知道，完整的通道知識代表發射器知道通道矩陣(Channel Matrix)，部分的知識則是指瞬間通道(Instantaneous Channel)的一些參數，如矩陣通道的條件值(Condition Number)，或是統計性質，如發射或接收通道的相關性(Correlation Property)。探索通道知識的前置編碼架構如圖4所示，欲發射的訊號(S₀、S₁)都乘以一個前置編碼的值，這部分可以解譯為波束成形器(Beam Former)。乘上前置編碼的值以後，兩組不同的資料流會同時從兩支發射天線發送出去，如同空間多工一樣，但矩陣編碼器會依據通道資訊而做調整。

圖4 採用波束成形技術的發射器結構

此處，假設發射器已經知道發射相關性矩陣(Transmit Correlation Matrix)，就可以利用相關性矩陣的特徵向量矩陣(Eigenvector Matrix)，建立出前置編碼矩陣，將各態歷經的容量加到最大。若將2×2前置編碼矩陣以W來表示，則在符號碼週期t₁所發射的符號碼會變成：

MIMO效能與通道特性　脣齒相依  

對無線通訊系統而言，通道是影響系統效能的關鍵因素，例如路徑損耗/衰減會造成訊號振幅衰減，多重路徑會造成符號碼間的干擾。雖然MIMO開啟了新的維度空間，可以大幅提升系統的效能，但真正能達到的分集或容量增加效益會取決於通道的特性。就STBC的應用而言，可以達到的分集效益與通道的分集階數有關，唯有當每一組發射/接收天線對之間的通道是獨立衰減的時候，通道的分集階數才會等於發射和接收天線數目的乘積。這表示如果發射/接收天線對之間的通道具高度相關性，則可達到的分集效益將會很有限。在空間多工的應用中，通道之間也必須是相互獨立的。唯有在有利的通道條件下，也就是發射/接收天線對之間的通道相關性很低時，才能清楚地區分出不同的空間訊號流。  

MIMO效能測試挑戰不可小覷  

在MIMO系統的發射器/接收器數目增加的同時，產品設計和開發的複雜度也快速升高，連帶使得MIMO系統的效能測試變得更具挑戰性。如上所述，MIMO的效能與無線通道息息相關。若要研究接收器在不同通道條件下的效能，就必須使用MIMO通道。  

在初期的設計和驗證階段，直接在真實的無線通道環境中進行測試並非有效的方法，不僅因通道非常敏感、多變而須耗費很多時間，而且也不容易重製出所要調查的問題。  

另一種選擇是利用軟體來產生通道係數，但這也不理想，因為產生通道係數並與發射訊號迴旋運算的過程非常耗時，也會耗用很多系統資源。因此，當只有使用軟體來模擬通道的行為特性時，即時測試並不可行。此外，通道模型也變得愈來愈複雜，不同的通訊標準要求不同的通道模型和測試情景，要複製出所有的通道模型和測試情景將會加重設計工程師的負擔，且耗時的測試也會減緩除錯的過程和延長開發的時間，因此，專業的MIMO通道模擬器才是這些工程師加快工作流程所亟需的工具。  

MIMO通道模擬器可以運用功能強大的數位訊號處理技術，複製出真實的網路布建環境，因此，可以儘早在開發與設計驗證初期，發現效能上的問題，且能提供最快速的方式，徹底找出和排除元件或系統的問題。現有的SISO通道模擬器無法有效地解決MIMO效能測試的需求，因為每個接收器都必須加總運算來自不同發射器的訊號流。此外，同時使用多個SISO通道模擬器無法模擬出不同通道間的相關性，但相關性對MIMO通道而言卻是極為重要的因素。再者，要滿足測試MIMO所需的通道數對SISO通道模擬器來說是一大挑戰。  

專業儀器可以模擬真實的MIMO通道狀況，提供最佳的解決方案以滿足這些挑戰性高的測試環境之需。通道模擬器(圖5)可以運用功能強大的數位訊號處理技術，複製出真實的MIMO環境，因此，可以儘早在設計、開發與驗證初期，迅速找出效能上的問題。通道模擬器還有一個好處是可以產生接近實際現況的衰減情境，包括路徑與通道相關性，以降低實作成本和加快校驗過程。

圖5　接收器測試儀若可提供較多組的基頻訊號產生器和通道衰減器，將有效協助排除MIMO技術難題。

良好的MIMO接收器測試儀可提供多達四組基頻訊號產生器和八組通道衰減器，對於測試、找出和排除MIMO系統的問題極為好用。  

圖6是測試一個2×2 MIMO接收器的簡化配置圖。量測儀器連接兩部RF訊號產生器，以進行訊號的升頻轉換(Up-conversion)。儀器內建的基頻訊號產生器可以產生符合標準的波形，如LTE訊號。這些基頻訊號產生器可透過軟體的圖形化使用者操作介面，輕易地連接到通道衰減器。每個衰減器都可以依照標準如3GPP LTE標準36.101 Annex B要求的衰減模型，或使用各種不同的路徑和衰減條件所自訂的模型，分別加以設定。相較於獨立式的衰減器，儀器提供的自動化功率校驗功能可省去進行衰減時所需的繁瑣、費時的系統設定步驟。

圖6 2×2 MIMO接收器的簡化區塊圖

總而言之，先進3G無線通訊系統中使用到MIMO技術，以及空間分集、空間多工和波束成形等技術；儘管MIMO技術在充滿多重路徑的環境中使用，可以增加訊號抗環境干擾的耐受度以及提高系統的容量，但開發及測試MIMO元件和系統時，仍需要容易設定且能準確地複製出真實的無線通道及環境的先進通道模擬工具，才能順利模擬這些複雜的通道。  

(本文作者為安捷倫科技亞洲區電子量測事業群應用專案經理)