Charakterisierung von WiMAX-Systemen Messen am MIMO

Für die Charakterisierung moderner WiMAX-Systeme und die Fehlersuche in ihnen braucht man oft einen Zweikanalanalysator mit der Fähigkeit zur Einschätzung des Funkkanals,einen „Matrixdecoder“ und einen OFDM-Demodulator. Hier etwas zur Messmethodik mit Vektorsignalanalysatoren.

Diee Spezifikation von WiMAX Wave 2 („Mobile WiMAX“) unterstützt momentan zur Verbesserung der Systemleistung Mehrantennenbetrieb im Uplink und im Downlink. Im Vergleich zu herkömmlichen Systemen mit nur einer Antenne (SISO – Single-Input Single-Output) erzielen Mehrantennensysteme (MIMO – Multiple- Input Multiple-Output) höhere Datenraten bei verbesserter Spektraleffizienz. Mehrantennenbetrieb bei einer Downlink-Verbindung eines WiMAXWave- 2-Systems kann entweder Raum-Zeit-Codierung (STC – Space- Time Coding) oder MIMO bedeuten. Das erste Verfahren wird auch als „Matrix A“ bezeichnet, das zweite als „Matrix B“.

Im Matrix-A-Betrieb (STC) lässt sich der Funkkanal aus zwei Funkstrecken modellieren, die die zwei Sendeantennen der Basisstation mit der einen Empfangsantenne an der Mobilstation verbinden. Jeder Signalpfad ist von einem eigenen Kanalkoeffizienten darstellbar. Jeder Koeffizient steht für eine (als linear angenommene) Kombination aller Funkwege zwischen den betreffenden Sende- und Empfangsantennen. Er umfasst alle Funkwege im Funkkanal (bei Mehrwegeempfang sind das mehrere) und dazu ein mögliches Übersprechen von Kanal zu Kanal im Sender. Eine Technik zur Verbesserung des Empfangs arbeitet mit verschieden codierten Versionen des gleichen Signals, die eine einzelne Antenne zu verschiedenen Zeiten auf der gleichen Frequenz abstrahlt. Eine solche räumliche Diversität ist in Matrix- A-Konfigurationen implementiert. Mit der anderen Möglichkeit, also Matrix- B-Systemen (MIMO), kann man eventuell höhere Datenraten erzielen und eine verbesserte Spektraleffizienz. Hierbei sendet jede Antenne verschiedene Datenströme im gleichen Frequenzkanal.

Kanalkoeffizienten, Matrix- Decodierung und Demodulation

Signalanalyse und Fehlersuche bei Matrix-A- und Matrix-B-Signalen lassen sich mit einem ein- oder zweikanaligen Vektorsignalanalysator (VSA) durchführen. Eine Reihe von grundlegenden Messungen (wie etwa das Übersprechen zwischen Kanälen und das Timing innerhalb des STC- oder MIMO-Senders) kann man mit einem einkanaligen Analysator durchführen,der direkt mit dem angewählten Senderausgang verbunden ist [3]. Sind Sendesignale gut voneinander „isoliert“ (etwa bei einer Direktverbindung), reicht ein Messkanal. Es ist dann kein Matrixdecoder für die Demodulation der Signale erforderlich. Für bestimmte Testabläufe sind einkanalige Messungen der Sendesignalqualität bei möglichem Übersprechen ohne Einsatz des Matrixdecoders sogar vorgeschrieben. Das gilt beispielsweise für den Konformitätstest (Radio Conformance Testing, RCT), wie er im WiMAX-Wave-2-Profil definiert ist. Leider bietet diese einfache Messmethodik bei Optimierung und Fehlersuche wenig Einblick in die Ursache vieler Signalfehler. In diesen Fällen braucht man für die Aufdeckung von Störungen aus verschiedenen Quellen Messungen mit und ohne Matrixdecoder. Bei Matrix-A-Systemen kann man einen einkanaligen VSA mit und ohne Matrixdecoder einsetzen.

Matrix-Bund UL-CSM-Systeme erfordern normalerweise einen zweikanaligen VSA, um diese zunehmend komplexen Kurven vollständig analysieren zu können. Die Grafik zeigt den Weg, den ein Messsignal durch einen typischen 2-Kanal-VSA nimmt. Ein solches Gerät, etwa ein Analysator der Familie Agilent 89600 mit Option B7Y, kann WiMAX-MIMO-Messungen durchführen. Die Analyse des MIMO-Signals beginnt mit einer Schätzung der komplexen Kanalkoeffizienten. Diese Schätzung beruht auf Messungen vieler Pilotunterträger in den beiden Empfangssignalen, die an den Eingängen des VSA anliegen (Rx0 und Rx1). Die vier Kanalkoeffizienten, dargestellt als Funktion der Unterträgerfrequenz, erweisen sich bei der Optimierung und der Fehlersuche in MIMO-Systemen als ausgesprochen hilfreiches Analysewerkzeug. Diese Werte nutzt vor allem der Matrixdecoder, der mit ihrer Hilfe aus dem 2x2-MIMO-Signal die beiden unabhängigen Datenströme zurückgewinnt. Der Matrixdecoder ist so konstruiert, dass er die Charakteristik des Funkkanals kompensiert.

Eine Datendecodierung führt er nicht durch. Wie die Grafik zeigt, werden die rekonstruierten Matrix-B-Datenströme dann zur weiteren Signalanalyse dem OFDMDemodulator zugeführt. Letztlich ist für die Demodulation eigentlich kein Matrixdecoder erforderlich, wenn das Messgerät direkt an den Senderausgängen angeschlossen ist. Die Grafik zeigt auch die beiden Messpfade, die den Matrixdecoder umgehen. In dieser Konfiguration wird die Kanalcharakteristik über die Information im Vorspann, im Pilotträger und in den zugehörigen Datenunterträgern geschätzt. Die Antworten aus dem Funkkanal können sender- oder kanalbedingtes Übersprechen enthalten; sie unterscheiden sich von den Kanalkoeffizienten, die aus den eingebetteten MIMO-Pilotträgern ermittelt werden.

Man nutzt die Antworten aus dem Kanal dazu, als Teil des Demodulationsprozesses den Frequenzgang der Empfangssignale zu linearisieren. Die Antworten aus dem Funkkanal sind manchmal sehr hilfreich bei der Fehlersuche in WiMAX-Signalen. Allerdings enthalten die beiden Antwortsignale aus dem Funkkanal nicht genug Information, als dass man damit die Matrix decodieren könnte. Bei der Analyse eines Matrix-A-Signals läuft das Messsignal grundsätzlich auf dem gleichen Weg durch den VSA wie ein Matrix-B-Signal. Man braucht dafür aber nur einen einkanaligen Analysator.

Messung des Frequenzgangs im Funkkanal

Die Antworten aus dem Equalizer und dem MIMO-Kanal sind weitere nützliche Diagnosewerkzeuge für die Charakterisierung von Matrix-A- und Matrix- B-Kurven. Amplitude und Form dieser Antworten liefern eine Einsicht in die Qualität der Empfangssignale vor der Demodulation. Man weiß beispielsweise, dass MIMO-Signale in einer Umgebung mit viel Mehrwegeempfang allgemein eine geringe Korrelation zwischen den Kanalkoeffizienten zeigen; das erleichtert dem Empfänger die Wiedergewinnung der Daten. Wenn die Koeffizienten stark voneinander abhängen, sinkt die Systemleistung schnell.

Ein weiteres nützliches Mittel zur Fehlersuche ist die „MIMO-Beschaffenheitszahl“ (Condition Number), die aus der Auflösung der Eigenwerte der Kanalmatrix [H] errechnet wird. Sie ist das Verhältnis von Maximalwert zu Minimalwert jedes einzelnen Unterträgers und ein Maß dafür, wie gut die Matrix im Empfänger beschaffen ist. Das Verhältnis wird normalerweise logarithmisch aufgetragen. Der Idealwert beträgt in einer fehlerfreien Matrix 1 (oder 0 dB). Das bedeutet, dass der Unterträger immer gleich stark ist, also der Maximalwert dem Minimalwert entspricht. Allgemein kann man sagen: Wenn die Beschaffenheitszahl des Signals größer als das Signal- Rausch-Verhältnis ist, kann der Matrixdecoder die Signale nicht mehr trennen. In diesem Fall wird die Demodulation nur wenig Leistung bringen.