MIMO及其对无线局域网产品生产测试的影响 - 全文

来源：Litepoint 作者：Litepoint2013年10月21日 10:00

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[导读] 本文阐述了应用于802.11 Wi-Fi系统的MIMO（多路输入多路输出）测试方法的基本原理，并通过与以前采用SISO技术时的测试方法的对比，探讨了MIMO技术的应用对生产型校验方法和验证测试方法的影响。本文指出了在MIMO系统中可能会发生的失效机制（在 SISO系统中可能不存在）要求我们对现有的测试方法进行改善。最后，本文还对三种常用的MIMO测试方法进行了比较，并为读者介绍了第四种能帮助提高测试覆盖率和生产效率的 MIMO 测试方法。

关键词：MIMO

　　前言

　　发生了什么样的技术变化？

　　多路输入多路输出（MIMO）技术作为一种关键的性能增强技术至今已在WLAN（802.11）系统中运用五年多了。您可能会问，“MIMO系统到底有什么新颖之处，值得我们如此热烈地讨论？”

　　答案就在于无线视频。无线视频正迅速地驱动MIMO系统进入平板电脑和其他移动平台，并正在把WLAN系统的性能推向一个新的高度。用户也期待基于WLAN技术流畅、可靠的视频传送。WLAN以往的应用主要是基本的数据传输（电子邮件、网上冲浪、文件传输等），但是视频传送是完全不同的应用，视频传送需要低延时和稳定高速的数据速率来确保图像的流畅。

　　MIMO技术在视频传送中的应用

　　当今，大量的设备正在使用802.11 MIMO 系统进行视频传送。典型的应用有平板电脑、笔记本电脑、甚至是智能手机与智能电视的无线连接。此外，802.11 MIMO 系统正日益广泛地被用于家庭影音环境，比如说：将视频内容从一部数码录像机（DVR）传输到电视机或电视机顶盒。这种传输方式的好处是能避免特殊的线路连接和复杂的安装过程。

　　基于 WiFi无线视频内容共享的主要协议包括：

　　· Miracast – WiFi Alliance®支持的点对点网络802.11无线标准，它具有整合1080P 视频和Dolby® 5.1音频的能力。安卓（Android）4.2就内置了对Miracast的支持功能。

　　· AirPlay®– Apple公司的专利技术，能由智能手机或平板电脑向连接 Apple TV装置的电视机传送视频、音频和图片。

　　· WiFi Direct – 与 Miracast相似的、能整合视频和音频信号的点对点无线标准。安卓4.0以上系统都支持此协议。

　　正是由于上述标准化工作的开展，用MIMO技术增强的802.11技术正在迅速成为移动设备和固定设备之间传送高清视频内容的基本技术。

　　MIMO技术在提高可靠性、频谱效益和吞吐量方面的应用

　　MIMO技术能用于优化无线系统的关键性能。根据不同的实施方式，它能改善以下三种系统性能中的任意一种：

　　· 可靠性 – 确保正在被传输的数据能正确接收

　　· 频谱效率 – 提高特定带宽内的数据传输量

　　· 吞吐量 – 提高无线系统的数据传输速率

　　系统设计者可选择在牺牲一个参数性能（如可靠性）的前提下充分优化另一个参数（如吞吐量），或者以较低的程度对全部参数（如吞吐量和可靠性）进行优化。

　　图1中假设有一个最佳的高频谱效益MIMO信道（一个具有奇异值平坦分布特性的信道矩阵），我们发现，MIMO系统能以低得多的单位信息接收能量获得较高的频谱效益。

图1：频谱效益与信息位能量（Eb/N0，按噪音谱密度归一化）的关系

　　此图对四种不同MxM值的MIMO（多路输入多路输出）系统进行了比较，并假设采用了有奇异值平坦分布特性的信道矩阵（资料来源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期）。

　　MIMO技术实施时，用户可使用较高阶数的系统（如更多的发射机和接收机）以提高覆盖范围、可靠性和处理能力（bits/sec/Hz）。当然，这通常会需要更多的天线布置空间以及更大的能耗。图2表明随着系统中发射机/接收机数量的增加，处理能力也得到相应提高。

图2：高阶数MIMO系统应用对吞吐量的影响

　　在图2中您将注意到随着MIMO阶数的提高，系统的数据处理能力（bits/sec/Hz）变得更大，这意味着更高的数据传输速率，或者可增加更多的用户数量。另外，图中也可以看出，数据容量的显著提高发生在1级无线设备升级为4级无线设备的过程中，之后，数据容量的提高速率逐渐降低。

　　考察当前市场上已有的WLAN MIMO技术解决方案后，我们将发现智能手机和更小型化的移动装置几乎都是单一输入与单一输出（SISO）的解决方案。这主要归因于天线空间和功耗。一个MIMO系统想要正常工作，各天线上的信号就需要不相关，不相关便意味着信号的增加不能以一种信号叠加后会产生峰值的形式进行。在实际应用中，天线与天线间的隔离度需保持在 6 dB左右以确保将实际系统中信号相关性控制在最低程度。这意味着天线与天线之间必须有一定的间距，而像智能手机等装置中往往没有多少空间，尤其是考虑到智能手机所必须支持的多种蜂窝通信和无线互联技术的频段时更是如此。

　　平板电脑等较大的装置则能容纳更多的天线和更大的天线间距。截至到本文发稿时，市场上已推出几款 2x2 WLAN MIMO型平板电脑，这些产品能利用MIMO技术带来的更高的数据传输可靠性和吞吐量。

　　笔记本电脑由于能保证较大的内部天线空间（相当或大于平板电脑）并配备了较大容量的电池（能支持更多的发射机，也不会降低电池寿命），所以一般都是 2x2 或 3x3 的系统。

　　最后，4x4 WLAN MIMO系统也已开始出现，其初步应用瞄准了机顶盒的视频传送性能，因为机顶盒能从这种4x4 MIMO系统所提供的更好的传输可靠性和更大的数据容量中真正受益。

　　MIMO原理

　　传统的无线系统采用单一输入与单一输出（SISO）的设置方法，即在无线连接的两个终端都使用一个发射机和一个接收机。数字信号处理领域的最新研究成果为我们带来了多天线技术，它能显著地提高数据吞吐量和改善无线连接的稳定性。这些多天线技术就是我们称为MIMO（多路输入多路输出）的技术，它在无线连接的各个终端都使用多个发射机和接收机，在一定的信道条件下，能获得比SISO高出几倍的吞吐量。

　　MIMO技术仅指出了特定装置的天线数量。MIMO定义中的“输入”和“输出”二词分别表示一个无线信号在空间的发射和接收。而且，这能独立地应用到上行和下行两种链路中。

　　从这个总的定义出发我们可以推理出更多特殊的多天线应用实例，如：多重输入单一输出（MISO），单一输入多重输出（SIMO），以及多路输入多路输出（MIMO）。这些实际应用可用图3表示。SIMO系统由于配备多个接收天线能形成接收分集，而MISO系统因为有多个发射天线，所以能形成发射分集。MIMO系统则综合了SIMO和MISO两种应用的特点，它能同时利用发射分集和接收分集特性来改善无线连接的稳定性，同时使用多个可辨别的空间信道来提高无线连接的吞吐量。本文将集中讨论MIMO系统。

图3：MISO、SIMO和MIMO构架

　　MIMO技术根据信道条件可分为两种工作模式，即空间复用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-时分组编码（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO装置会根据信道条件在SM和STBC两种模式中动态切换以实现最佳性能。

　　空间复用模式

　　空间复用模式（SM）的基本原理是用每根天线发送相互独立的数据。从各天线发送的数据会在接收机端经过适当的信号处理后被分离，这种处理通常会包含线性去相关检测和非线性干扰解除两个操作。

　　我们平时提到MIMO时通常是在说SM工作模式，因为这种模式具有显著提高无线连接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依赖一定的信道条件和信噪比（SNR）。多径信道通常要求较高的非相关性。与SISO传输方式相比，对于相同的调制和编码方法，多径信道信噪比（SNR）要求也更高。

　　IEEE 802.11标准定义了两个SM技术：直接映射和空间扩展。使用直接映射技术时，每个MIMO数据流都通过一个发送链路传送，数据流与传送链路之间是1对1的映射关系。使用空间扩展技术时，MIMO数据流先按信道评估情况用一个矩阵复用，然后再通过不同的发送信道予以传输。图4直观地表示了直接映射技术和空间扩展技术的特点。

图4：直接映射和空间扩展

　　空-时分组编码（STBC）

　　STBC用另一种方式实现对多个天线的利用，它利用空间和时间分集来提高数据传输的可靠性。MIMO数据流在特定的时间被从一个代码字或代码序列处理成矢量符号，如图5所示。之后，整个代码字变成一个矩阵，其内部的每行数据都在相同的天线上传送，而每个列的数据则在相同的时间传送。接下来的任务就是在接收机端如何设计一个有最佳距离属性的代码了（即便是对随机变化的信道而言）。

　　STBC与SM不同，它不会提高MIMO设备在相同时间传送的数据流的数量，因此也不会直接提高无线传送的吞吐量。然而，STBC能提高传输的可靠性，尤其是在信道条件很差的情况下。这样，相同的信噪比情况下我们就能采用更高的调制和编码率，因而，STBC具有间接提高线路吞吐量的能力。

图5：空-时分组代码

　　生产过程中MIMO系统中容易出问题的方面

　　任何生产过程都会受到潜在错误和过程变异的影响。因此，在开发MIMO测试方案时了解生产过程中的潜在失效点并准备好筛查方案是非常有用的工作。

　　· 焊接缺陷

　　焊接缺陷很可能是所有电子系统中第一大设备失效原因。严重缺陷可能会导致全系统的故障，因此很容易筛查，但是微小的缺陷就较难发现。这种缺陷可能会导致系统的性能下降，但不至于整机故障。MIMO系统由于其在实际应用中所具有的功能而特别容易掩盖这种问题。

　　例如：如果以一次一条链路（发射机或接收机）的方式对MIMO系统进行测试，那么某些特定的性能问题，如某个焊接不好的解偶电容器，就可能无法被发现。这类问题只有在所有发射机在最大功率输出工作时才能被注意到。除非我们验证系统的最高数据传输速率，否则我们可能查不出这类生产测试中的问题。但是，使用这种蒙混过关产品的最终用户，很可能会在诸如平板电脑与电视机的视频传送过程中发觉类似欠佳的性能（如解析不充分的视频），这最终会导致产品退货甚至产品品牌形象的受损。

　　· TX/RX开关性能

　　典型的WLAN系统一般都是半双工系统，因此包含一个发送/接收（TX/RX）开关，用于在信号的发送和接收之间进行切换，如图6所示。此开关的开关速度正是影响系统性能的关键所在。典型的系统中，此开关必须具备在几十个微秒内完成发送/接收切换的能力，否则将引起传输数据的丢包现象。

图6：WLAN系统中的TX/RX开关

　　控制线路中的解耦电容器有时会有焊接不良的情况，此外，表面贴装流程中自动装配机上有时还会装上容值不正确的元件。容值略微增加几个微法（µF）便会引起切换稳定时间的延长并影响系统的性能。

　　· 串扰问题

　　正如前文所提，MIMO系统需依赖发送或接收数据流之间合理的隔离度才能实现最佳的性能。图7显示出一个MIMO系统中可能会产生的串扰路径。

图7：串扰或耦合问题

　　验证不同路径之间隔离情况的唯一方法就是确保所有的路径都在同时工作。这就需要多个信号发射机和信号接收机来对这些路径进行同步测试。如果每条链路单独测试，那么隔离度问题就难以发觉。

　　此外，随着平板电脑和智能手机越来越紧凑的外壳内需装配的电子元件变得越来越多，精密的机械装配和公差也已成为确保隔离度的必要条件。生产过程中一个装配不良的射频（RF）衬垫往往会导致系统中泄露通道的产生。

　　· 发热问题

　　最后，我们必须考虑MIMO系统测试过程中的发热问题。信号发射机的性能尤其容易因温度的差异而发生变化。如果一次只对一条链路进行测试，那么潜在的发热方面的问题（如增益下降，失真加剧）就可能不会表现出来。只有让所有的射频链路同时工作，才能使系统承受合理的负荷水平（见图8）。

图8：MIMO系统中的发热问题　　

　　以上只是生产过程中可能发生的关于MIMO系统性能的几个问题。虽然这些问题可能不会经常发生，但一旦发生，它们就会引起明显的性能下降（但不大会引起整个系统的故障）。

　　随着视频数据越来越多地依靠WLAN MIMO系统传输，峰值数据传输性能正变得越来越重要。这些类型的缺陷无疑将引起应用设备性能的不良，因此我们需采取最佳的方法来筛查这些问题。

　　在下一部分内容中，我们将考查WLAN MIMO测试的几个不同方法以及我们采用不同技术所能获得的测试覆盖率的不同水平。

　　MIMO测试

　　MIMO测试方法概述

　　MIMO测试方法共有四种：多重SISO，切换式MIMO，复合MIMO，和真实MIMO。图9中列出了各种测试方法的配置方式。

图9：MIMO测试配置方式归纳

　　多重SISO

　　此测试方法采用一个矢量信号分析仪（VSA）和一个矢量信号发生器（VSG）。此方法中 MIMO待测装置（DUT）被看作一个多重SISO装置，对于发射机和接收机的每个MIMO支路都进行单独测试。这种测试方法实质上是对每个MIMO支路的多次SISO重复测试，它是最基本的MIMO测试方法，曾被用于早期的MIMO装置的生产过程中。

图10：多重SISO测量

　　切换式MIMO

　　此测试方法只使用一个矢量信号分析仪（VSA）依次对各MIMO支路进行信号捕获。测试时不是立刻对各捕获的信号进行分析，而是先对捕获信号（此例中为三个捕获信号）进行缓冲，然后再对经过综合的MIMO信号进行分析。测试中使用一个单一的VSG对待测装置的MIMO接收机依次进行测试。与多重SISO方法相比，切换式MIMO测试方法由于使用MIMO算法对数据进行解码，所以能获得更精确的误差矢量幅度（EVM）。这也消除了测试设置中的信道影响。

图11：切换式MIMO测量

　　复合MIMO

　　此测试方法使用一个射频合路器将MIMO信号合成为一个单一的数据流。测试中使用一个VSA 对经过合成的数据流进行捕获，并在发送信号已知的情况下对 MIMO信号进行分析。与上述测试方法相似，此测试方法也使用一个单一的 VSG对每个MIMO接收支路进行依次测试。此方法对测试硬件的要求最低，还能提供较高水平的测试覆盖率和较快的测试速度。此外，此方法还能适当地降低测试装置的成本和性能要求，因此大多数生产线都在使用这种测试方法。

图12：复合MIMO测量

　　真实MIMO

　　此测试方法模拟真实的MIMO工作条件。它使用多个VSA同时从所有MIMO支路捕获信号。MIMO分析仪对MIMO信道进行估算并对MIMO信号进行解调。此方法还使用多个VSG生成多个波形以便对MIMO接收机进行测试。此测试方法能带来最全面的MIMO测试覆盖率和最快的测试速度，因此经常被研发和设计验证实验室采用。

图13：真实MIMO测量

　　各种MIMO测试方法的比较

　　每个MIMO测试方法都有其特定的优缺点。用户应根据特定的应用场合和测试覆盖率要求选择不同的MIMO测试方法。下表对不同的测试方法进行了比较

　　表1：MIMO测试方法和相关测试成本比较

　　真实MIMO方法模拟真实的测试情景并提供最佳的MIMO测试覆盖。与其他方法相比它的测试硬件的成本较高，但由于其测试吞吐量的显著提高，其运营和总体成本却最低。研发，设计验证实验室，以及高速生产线通常使用这种真实MIMO方法。复合MIMO方法对合成信号的测试覆盖率较好，但对单个MIMO路径的分析能力却较差。多重SISO方法和切换式MIMO方法对单个MIMO支路能保证较好的测试覆盖率，但缺少分析合成信号的能力。由于大多数生产质量问题可以通过合成信号的分析得到解决，所以复合MIMO方法已成为生产线使用最普遍的测试方法。

　　表2：不同MIMO测试方法的测试覆盖率比较

　　莱特波特测试解决方案

　　为了进一步提高频谱效益，最新的WLAN标准（802.11n 和 802.11ac）中增加了MIMO技术支持的内容。虽然MIMO是这些标准中可选的技术，但却在越来越多地被WLAN装置采用。这是因为视频数据流等高吞吐量应用的大量普及以及5GHz频段的日益频繁的使用，而在这两种情况下，MIMO不仅能帮助提高吞吐量，而且还能改进无线覆盖和连接的可靠性。

　　与传统的SISO装置相比，MIMO装置有多个收发通道和更复杂的设计结构，因此它代表了一种全新的测试挑战。MIMO测试需要新一代测试设备，而莱特波特公司凭借其专利技术、先进的算法和创新的构架已成为MIMO测试领域领先的测试方案提供商。我们能为用户提供灵活和完整的、甚至能满足最苛刻测试要求的MIMO测试解决方案。莱特波特公司也是目前唯一能提供涵盖所有四种MIMO测试方法的测试方案公司。

　　我们的IQxel 系列测试产品是行业内802.11ac 和WLAN MIMO测试领域参考标准测试设备。由于具有行业内领先的测试速度和无可比拟的测试性能，IQxel拥有非常成功的业绩，并正在被全世界各大芯片公司和消费电子产品制造商所使用。 IQxel已被运用到包括研发、设计验证、生产和产线最终质量控制在内的产品开发过程的每个阶段。

图14：采用IQxel系列产品的True MIMO测试配置方案