MIMO波束賦形對TD-LTE測試影響

1 波束賦形基礎知識

“波束賦形”一詞有時會被濫用，從而引起混淆。從技術上來說，波束賦形和波束導向一樣簡單，即兩個或更多的天線以受控的延遲或相位偏移來發(fā)射信號，從而創(chuàng)造出定向的建設性干涉波瓣（見圖1）。

圖1　簡單波束導向創(chuàng)建的波瓣

TD-LTE系統(tǒng)中所用的波束賦形是一個相對更加復雜的命題，部分原因是終端設備具有移動的特性。一種稱為Eigen波束賦形的技術會使用關于RF信道的信息從統(tǒng)計上對發(fā)射天線組件的幅度和相位參數(shù)進行加權判斷。雖然 Eigen波束賦形并非計算最密集的波束賦形類型（還有一種稱為最大比率發(fā)送的方法也會執(zhí)行相同類型的權重判斷，但只針對每個子載波），但當它被用于組件數(shù)較高的8 × n MIMO系統(tǒng)時，無論是在實施中，還是在系統(tǒng)開發(fā)的驗證階段中，都將是一個極具挑戰(zhàn)性的命題。

2　TD-LTE與8×n MIMO

多數(shù)計劃中的TD-LTE部署都是圍繞8個天線組件的發(fā)射天線而設計的（見圖2）。在這些系統(tǒng)中，4個有一定距離間隔的天線組件被物理指向某個角度。另外，4個組件的布置方式是，每個都分別與前4個天線組件同軸，而且后4個天線組件中每一個都指向其各自的配對組件。

圖2　一個8×2波束賦形系統(tǒng)創(chuàng)造出的垂直極化波束

由4個方向類似的組件組成的每一組都形成了一個可以瞄準某個特定方向的波束。這4個無線電鏈路之間的關聯(lián)程度很高，而兩個垂直極化波束則顯示出較低程度的相互關聯(lián)，形成類似2×n MIMO的系統(tǒng)，因此也就可以發(fā)射多層或多個數(shù)據(jù)流。因此，這樣的系統(tǒng)在實現(xiàn)MIMO系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率最大化優(yōu)勢的同時，還可充分發(fā)揮波束賦形優(yōu)化特定方向信號強度。這種系統(tǒng)通常被稱為雙層波束賦形系統(tǒng)，其中的每一層都可以代表一個獨立的數(shù)據(jù)流。

雙層MIMO波束賦形系統(tǒng)既可用作單用戶MIMO系統(tǒng)（SU-MIMO），即兩個數(shù)據(jù)流都被分配給單個用戶終端，也可以用作多用戶（MU-MIMO）系統(tǒng)，即個數(shù)據(jù)流均被分配給不同的用戶終端。這樣為網(wǎng)絡運營商提供巨大的靈活性，使之能夠選擇性地部署覆蓋能力最大的系統(tǒng)，或者是單個用戶數(shù)據(jù)吞吐量最大的系統(tǒng)。

3　波束賦形工作原理

在任何一種波束賦形系統(tǒng)中，系統(tǒng)都必須能夠估計目標用戶終端的方向。在FDD系統(tǒng)中，這是用戶終端 以預編碼矩陣指標（PMI）的形式進行反饋的功能，而TD-LTE的信道互易性取消了這一要求。在TD-LTE系統(tǒng)中，用戶終端會向基站發(fā)送一個信道報告信號，基站通過檢查相同極化天線之間的相對相位差，能估計出用戶終端的到達方向（DoA）。需要注意的是，盡管這種估計是在上行鏈路中執(zhí)行的，基站仍可利用信道互易性，根據(jù)對上行鏈路的估計在下行鏈路中執(zhí)行發(fā)送任務。

接下來，根據(jù)估計出的DoA，基站會動態(tài)調整天線陣列中每個組件的“天線權重”（相對幅度和相位），將波束引向所期望的用戶，并且/或者將零信號引導至不需要干涉所在的方向。圖 1顯示的便是這一基本概念。

上面的場景事實上只是簡單的波束導向。Eigen波束賦形會加入一些智能處理，但其期望的基本效果是相同的：系統(tǒng)會利用互易性對下行信道的參數(shù)做出估計并據(jù)此調整天線權重（見圖3）。

圖3　自適應式波束賦形系統(tǒng)

4　測試波束賦形

在實驗室中創(chuàng)建真實MIMO測試平臺時可能遇到各種挑戰(zhàn)，而其中很多都已在過去被人們發(fā)現(xiàn)并得到了解決。由于波束和MIMO鏈路組件的空間特性，在實驗室中進行的測試必須實施正確的極化和真實的天線方向圖才能創(chuàng)造出有效的測試環(huán)境。

TD-LTE則增加了超出簡單MIMO測試的更多要求：上行和下行鏈路必須在衰退和傳輸功能特性方面表現(xiàn)出互易性。在測試實驗室中，這并不像看起來那么簡單?，F(xiàn)代信道仿真器必須由單向RF信道組成。要想精確仿真互易信道，就需要在產(chǎn)生同步的、精確重復衰退方面下大量的功夫。在多數(shù)測試中表現(xiàn)良好的信道仿真器并不一定適用于TD-LTE測試，除非它能夠在上行和下行鏈路中生成幾乎完全相同的信道條件。

另外一個關鍵的關注領域就是相位精度和校準。近幾個月中，人們在這個看似神秘的話題方面做了很多的工作，在基于實驗室的最新型RF信道仿真技術取得了新的進展。在實踐中，相位校準會受下列因素的影響：

（1）調整信道功率水平。

（2）調整信噪比 。

（3）改變信道模型。

（4）調整頻率。

（5）斷電重啟。

盡管SISO和非波束賦形MIMO系統(tǒng)對于這些過程造成的輕微相位偏移并不敏感 ，但MIMO波束賦形對與相位有關的精度不良現(xiàn)象尤為敏感。

圖4顯示的是一個DoA錯誤為ε度的典型8天線統(tǒng)一線性陣列的輻射模式。8度的錯誤會導致波束賦形增益出現(xiàn)10 dB的損失，而當錯誤達到14度時，整個鏈路都將損失殆盡。

圖4　相位錯誤及其對波束賦形增益的影響（8天線線性陣列）

因此，要想對MIMO波束賦形進行精確的測試，就必須對系統(tǒng)執(zhí)行定期的相位校準。雖然也可對用于測試MIMO波束賦形的信道仿真系統(tǒng)進行手動相位校準，但用戶在這種校準中所花的時間可能為測試所需時間的5~8倍。更重要的是，手動相位校準需要斷開并重新連接多個RF連接器，這將會對系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

解決的辦法就是自動化相位校準，將該能力和動態(tài)環(huán)境以及幾何信道模型作為現(xiàn)代信道仿真器的“必備”能力。先進的信道仿真系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)能夠提供自動化的相位校準而無需手動干預，這在很大程度應歸功于原型8×n MIMO波束賦形系統(tǒng)基礎研究方面的進步。在一個自動化相位校準系統(tǒng)中，只需一個按鍵或輕點鼠標，就可以準確地調整系統(tǒng)所用每個無線電鏈路的相位精度，而且無需斷開電纜。更重要的是，這種作法將有效確保測試結果的有效性和精確度。

5　思博倫VR5 HD大幅降低MIMO測試的復雜性

（1）簡化和改善先進技術MIMO接收機的測試

思博倫通信的VR5 HD空間信道仿真器能夠解決現(xiàn)代多高天線數(shù)無線技術所用RF接收機測試有關的各種問題。VR5的設計目標就是為尖端移動設備和基站的測試工作提供更高的效率和易用性。

LTE等先進的無線技術（包括先進LTE和TD-LTE）都有賴于多天線技術（MIMO和波束塑型）來滿足公眾對更高數(shù)據(jù)速率的感觀需求。這將給負責執(zhí)行RF測試的人帶來許多的問題。首先遇到的，也是最明顯的問題是，必需仿真和控制數(shù)量極大的信道。

（2）VR5硬件平臺

仿真一個MIMO信道需要m×n個獨立的仿真無線電信道，其中的m為發(fā)射器的天線組件數(shù)量，而n為接收器的組件數(shù)量。如果需要執(zhí)行雙向或交接測試，則所需要的鏈路數(shù)立即便會加倍。VR5便是針對此類測試案例而設計的，使用單個6U硬件單元便可滿足更高的測試需求。

VR5還集成了測試所需的常用RF組件。分離器、組合器和復用器等被動組件都集成在該單元中，而且該系統(tǒng)的輸出功率和動態(tài)范圍也經(jīng)過專門設計，因此無需再使用板載放大器。

面向無線市場的新型測試設備 “為未來做好準備”，因此實施高一個數(shù)量級的RF質量規(guī)格。VR5帶來了全新的RF處理能力，包括尖端的輸出功率范圍、噪音地平，以及總體信道質量。憑借其性能拓展空間，VR5可以輕松地滿足未來幾年中可能出現(xiàn)的任何測試需求。

（3）MIMO和空中MIMO（MIMO-OTA）測試

大規(guī)模商用MIMO部署也給測試實驗室?guī)砹诵碌奶魬?zhàn)。例如，在傳統(tǒng)的單路輸出、單路輸出（SISO）無線連接中，接收機天線的朝向幾乎不會對性能產(chǎn)生影響。但在MIMO中，信道的效能是接收機天線組件和發(fā)射機天線組件之間空間關系的一項直接職能。

VR5提供完整的MIMO信道關聯(lián)控制，從而能夠應對所有這些測試案例。思博倫還添加了一種稱為動態(tài)關聯(lián)（Dynamic Correlation）的關聯(lián)相關特性，它可以仿真由運動造成的實時關聯(lián)變化。

MIMO部署造成的另外一項復雜問題是，天線及天線組件物理設計和朝向的影響。在多數(shù)使用信道仿真器的測試中，仿真器一般都通過電纜與接收機天線連接。由于物理天線的接收能力已變得非常關鍵，因此空中MIMO（MIMO-OTA）測試也成為測試天平中的一個重要組成部分?？罩蠱IMO測試常常會被誤認為就是現(xiàn)場測試，但實際上它指的是屏蔽環(huán)境中的受控輻射測試。

MIMO-OTA使用無回聲屏蔽室或反射艙將被測設備與外界干擾隔離開來。在前一種環(huán)境中，屏蔽室的內(nèi)墻會吸收和散射RF能力，使這種由仿真器-屏蔽室構成的組合能夠精確地控制被測設備所受的RF能量。在反射艙中，艙壁反射被用來精確創(chuàng)建一個豐富的空中多徑環(huán)境。

在上面描述的兩種OTA方法中，測試所需的信道仿真器必須能夠生成受控的RF條件，并將屏蔽艙室的特性也考慮在內(nèi)。由于思博倫積極參與了制訂MIMO-OTA標準的行業(yè)機構，VR5也具備獨特的優(yōu)勢，能夠提供切實可行的MIMO-OTA測試。利用一種可選的軟件，還可將需要的信道特性映射到屏蔽室參數(shù)中，并創(chuàng)建出由VR5生成的信道。