Standard LTE od samego początku był projektowany do wykorzystywania transmisji MIMO. Technika ta daje wiele korzyści, takich jak: zwiększona przepływność i większa niezawodność transmisji czy możliwość wykorzystania różnych wiązek w przestrzeni dla różnych użytkowników. Niniejszy artykuł opisuje możliwości pomiaru sygnałów LTE MIMO przy pomocy oprogramowania R&S FS-K102/K103PC z wykorzystaniem oscyloskopu R&S RTO1044.

1. Wstęp

Standard LTE (Long Term Evolution) wykorzystuje technikę antenową MIMO (Multiple Input/Output). Poprawę przepływności i niezawodności transmisji z użyciem tej techniki można uzyskać na kilka sposobów. Standard LTE przewiduje trzy możliwości wykorzystania MIMO:

• Transmisja tych samych strumieni danych przez kilka anten nazywana jest Transmit Diversity. Korzyścią ze stosowania tego rozwiązania jest poprawa niezawodności transmisji bez konieczności użycia więcej niż jednej anteny w urządzeniu abonenckim.
• Multipleksacja przestrzenna (Spatial Multiplexing) zwiększa przepływność poprzez przesył danych podzielonych wcześniej na części w kilku równoległych strumieniach.
• Kształtowanie wiązki (Beamforming) to metoda sterowania charakterystyką przestrzenną zestawu anten, maksymalizująca siłę sygnału docierającego do określonego odbiornika.

Wprowadzenie do techniki MIMO można znaleźć w nocie aplikacyjnej Rohde&Schwarz numer 1MA142 [1]. Przewodnik do weryfikacji sygnałów LTE MIMO w łączu w dół można natomiast znaleźć nocie 1MA143 [2]. Opisuje ona analizę sygnałów MIMO na przykładzie równoległego pomiaru dwóch anten z użyciem dwóch analizatorów widma. Dokument ten prezentuje podejście do pomiaru sygnału MIMO transmitowanego przez dwie lub cztery anteny z użyciem cyfrowego oscyloskopu R&S RTO1044 (4 GHz, 4 kanały) i oprogramowania do analizy sygnałów w łączu w dół i w górę dla komputerów PC nazwanego R&S FS-K102/103PC. Podejście to ma wiele zalet:

• Potrzebny jest tylko jeden przyrząd pomiarowy. Nie tylko ogranicza to ilość sprzętu, ale też upraszcza konstrukcję stanowiska pomiarowego i okablowanie (brak oscylatora referencyjnego, dodatkowego wyzwalania oraz sprzętu do synchronizacji, np. R&S FS-Z11).
• Skrócony czas pomiaru.
• Różnice czasowe między kanałami wejściowymi oscyloskopu są bardzo niewielkie (< 100 ps). Jest to wymaganie konieczne przy precyzyjnych pomiarach formowania wiązki.

Założeniem niniejszego tekstu jest przedstawienie możliwości pomiaru sygnałów LTE MIMO przy pomocy oscyloskopu na trzech przykładach. Zaprezentowana zostanie technika weryfikacji wielowarstwowej multipleksacji przestrzennej oraz sposób pomiaru sygnałów LTE „z powietrza” (over the air) w maksymalnie czterech warstwach. Ostatni przykład dotyczył będzie prostej metody pomiaru różnic faz między antenami przy formowaniu wiązki.

W drugim rozdziale opisany został sposób przygotowania przyrządów do pomiarów MIMO. W trzecim przedstawiono weryfikację prekodowania MIMO dla potrzeb multipleksacji przestrzennej w jednej przykładowej konfiguracji. Pokazowy przypadek analizy sygnałów „z powietrza” został opisany w rozdziale 4. Rozdział 5 poświęcony jest pomiarom różnic faz sygnałów przy realizacji formowania wiązki.

W całym tekście stosowane są trzy skróty. Cyfrowy oscyloskop R&S RTO1044 o paśmie 4 GHz i czterech kanałach nazywany jest RTO. Oprogramowanie do analizy sygnałów LTE MIMO w łączach w dół i w górę R&S FS-K102/103PC nazywane jest oprogramowaniem LTE. Wektorowy analizator sygnałów R&S SMU200A nazywany jest SMU.

2. Przygotowania do pomiaru sygnałów LTE MIMO oscyloskopem RTO

W tym rozdziale opisana została konfiguracja stanowiska pomiarowego wraz z potrzebnym okablowaniem i podstawowymi ustawieniami oprogramowania.

2.1. Stanowisko pomiarowe

Aby możliwy był pomiar sygnałów LTE przy pomocy oscyloskopu RTO, musi on być wyposażony w opcje RTO-B4 i RTO-K11.

Konfiguracja stanowiska pomiarowego została zilustrowana na rysunku 2.1. Wszystkie anteny nadawcze (TX) badanego urządzenia (DUT) lub analizatora SMU należy podłączyć do wejść RF oscyloskopu. Podłączane są dwie lub cztery anteny. Oprogramowanie LTE uruchamiane jest na komputerze PC, podłączanym do oscyloskopu przez sieć LAN.

Rys. 2.1. Konfiguracja sprzętowa stanowiska pomiarowego

Przy używaniu RTO do pomiarów LTE, przewidywany resztkowy EVM wynosi poniżej 1%. Ani program LTE, ani oscyloskop RTO nie potrafią wykonywać pomiarów niechcianych emisji, takich jak „przecieki” mocy z sąsiednich kanałów (ACLR).

2.2. Podstawowe ustawienia transmisji LTE

Aby możliwe było wykonanie jakiegokolwiek pomiaru LTE, konieczne jest ustalenie pewnych podstawowych parametrów transmisji. Chodzi o tryb dupleksu (częstotliwościowy – FDD lub czasowy – TDD), kierunek łącza (w górę – UL lub w dół – DL), częstotliwość środkową oraz szerokość kanału. Dla TDD, konieczne jest też ustalenie alokacji UL/DL oraz konfiguracja specjalnej subramki, co przedstawione jest na rysunku 2-2 dla oprogramowania LTE i 2-3 dla SMU.

Rys. 2.2. Podstawowe ustawienia parametrów transmisji dla oprogramowania LTE

Rys. 2.3. Podstawowe ustawienia parametrów transmisji dla analizatora SMU

Aby prawidłowo połączyć program LTE z oscyloskopem, trzeba też wpisać poprawny adres sieciowy w tabeli „Analyzer Configuration” i ustawić parametry sprzętowe, takie jak liczba kanałów, tak jak to przedstawia rysunek 2.4.

Do prawidłowej konfiguracji liczby aktywnych wejść RTO trzeba też ustawić wartości pól „DUT MIMO Configuration” oraz „TX Antenna Selection”, widocznych na tym samym rysunku. Pierwsze odpowiada za liczbę anten nadawczych (2 lub 4), drugie definiuje liczbę odbieranych strumieni danych IQ i opisuje, do których anten są przypisane. Aby mierzyć więcej niż jedną antenę na raz, w polu „TX Antenna Selection” należy wybrać opcję „All”, „Auto (2 Antennas)” lub „Auto (4 Antennas)”. Pierwsza oznacza, że mierzone są wszystkie dostępne anteny oraz że są one przypisywane do strumieni w porządku rosnącym. W trybie „Auto” anteny są kojarzone ze strumieniami automatycznie, a liczba badanych strumieni zależy od wybranej opcji (2 lub 4).

Rys. 2.4. Konfiguracja połączenia RTO z komputerem oraz ustawienia kanałów wejściowych

Poziom sygnału jest mierzony na każdym z wejść i poziomy odniesienia oraz ustawienia tłumików są dobierane automatycznie. Jeśli chcemy konfigurować je ręcznie, automatyczny dobór poziomu sygnału można wyłączyć w zakładce „General” lub w oknie „General Settings”.