MIMO OTA雙通道高效率測(cè)試技術(shù)

摘要：現(xiàn)代的無線通信技術(shù)如LTE，HSPA+和WiMAX，都采用MIMO（多輸入/多輸出）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速度的提高。相應(yīng)地，天線測(cè)試系統(tǒng)（OTA）也同樣需要升級(jí)到支持MIMO的測(cè)試模式。本文介紹了一種簡單而且經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方法來驗(yàn)證MIMO設(shè)備的OTA性能，包括各向同性靈敏度（EIS）和吞吐率。

1 MIMOOTA測(cè)量需要新的測(cè)量方法

高質(zhì)量的無線通信設(shè)備需要一個(gè)近似全向性的天線，OTA（天線性能測(cè)試）測(cè)試就是用來評(píng)估此天線的性能。如今，OTA測(cè)試是無線設(shè)備認(rèn)證測(cè)試時(shí)的一個(gè)重要測(cè)試項(xiàng)目：在暗室環(huán)境中，得到輻射發(fā)射功率和接收靈敏度的三維方向圖。目前，標(biāo)準(zhǔn)的OTA測(cè)試都是SISO模式（單輸入/單輸出），如主流的2G，3G和WLAN的802.11a，b，g等設(shè)備，其主要的測(cè)試指標(biāo)是TRP（總輻射功率）和TIS（總各向同性靈敏度），采用的標(biāo)準(zhǔn)是CTIA或3GPP系列。

而現(xiàn)在，MIMO技術(shù)得到大量的采用，目的是提高數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)的網(wǎng)絡(luò)性能。由于采用空分復(fù)用技術(shù)，分配頻譜的信道容量得以顯著提高，但是新的傳輸技術(shù)也帶來了新的測(cè)試要求。

2×2MIMO有兩路下行數(shù)據(jù)流，因而UE（用戶設(shè)備）需要兩支接收天線，為了達(dá)到最好的性能，我們希望接收天線之間的相關(guān)性盡量小，方便各自同時(shí)接收不同的數(shù)據(jù)流。為了評(píng)估整體接收天線的性能，只是分別評(píng)估每支接收天線的性能是不夠的，MIMO設(shè)備的OTA性能測(cè)試需要在以下工作機(jī)制下進(jìn)行測(cè)量：

●發(fā)射分集工作模式（冗余數(shù)據(jù)流，提高接收靈敏度）。

●空分復(fù)用工作模式（多路數(shù)據(jù)流，提高吞吐量）。

LTE的調(diào)制解調(diào)器通常工作在室內(nèi)?？陀^存在的多徑效應(yīng)，讓它從各個(gè)角度實(shí)現(xiàn)多路接收，因此在OTA測(cè)試時(shí)，也需要對(duì)它進(jìn)行全三維的分析評(píng)估，即球面的測(cè)量方法提供了與真實(shí)工作情況相似的條件。

2 高效的MIMOOTA測(cè)試方法：雙通道測(cè)試方案

2G和3G中SISO的OTA測(cè)試是強(qiáng)制的，通常我們希望原有的天線暗室就可以直接滿足SISO和MIMO的應(yīng)用，也希望現(xiàn)有的SISOOTA測(cè)試系統(tǒng)可以方便地升級(jí)到MIMOOTA的測(cè)試。羅德與施瓦茨的雙通道測(cè)試法可以方便地實(shí)現(xiàn)這樣的需求。

雙通道測(cè)量法是一種檢驗(yàn)MIMO設(shè)備OTA性能直接有效的方法。距離UE相同距離處，放置兩支雙極化、入射角可轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)試天線，分別發(fā)射不同的MIMO下行信號(hào)。各種方位角和極化方式的組合，便可得到UE天線的總體特征。如圖1所示，OTA暗室內(nèi)包含4個(gè)角度定位裝置：角定位器，兩支測(cè)試天線：ANTDL1，ANTDL2，呈10°（模擬鄉(xiāng)村）或90°夾角分布（模擬城市）；以及一支通信天線：ANTUL；此外，暗室邊還有一個(gè)射頻接入板可允許5路射頻通道連接到暗室內(nèi)的天線；外部設(shè)備包括基站模擬器（RSCMW500）和一個(gè)開關(guān)矩陣（RSOSP130）。

圖1　支持雙通道法的MIMO OTA測(cè)試系統(tǒng)TS8991方框圖

雙通道測(cè)試法也可以用來驗(yàn)證方向圖和負(fù)載阻抗可隨環(huán)境自適應(yīng)變化的智能天線。由于在測(cè)試過程中無需任何輔助射頻電纜連接到測(cè)試天線的端口，因此可以確保EUT天線的阻抗特征與實(shí)際使用情況完全一致。

3 傳導(dǎo)和輻射測(cè)試的結(jié)果

實(shí)際上，具有一定方向圖的接收天線模塊可看成是一個(gè)附加的相關(guān)組件，通常它會(huì)增加接收機(jī)輸入端數(shù)據(jù)流的相關(guān)性，因此會(huì)影響整個(gè)MIMO接收的性能。所以，我們希望的理想MIMO天線不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)流的相關(guān)性帶來任何附加的影響。

為了表征設(shè)備的整體MIMO性能，需要模擬不同的環(huán)境衰落場(chǎng)景，而且在每種場(chǎng)景中模擬出不同的方向特性?，F(xiàn)實(shí)環(huán)境中會(huì)有各種的入射角和極化場(chǎng)景的不同分布。要表征天線的相關(guān)性，理論上，只需選用兩個(gè)通道各自代表不同的方向角和極化方向，選取適當(dāng)?shù)臏y(cè)試參數(shù)集便可完全地描述出接收天線的輻射特性。

然而，用戶設(shè)備的接收特性不只取決于天線系統(tǒng)的特性，還與本身的接收機(jī)模塊性能有關(guān)。因此，我們建議將整個(gè)MIMO測(cè)試分為兩個(gè)獨(dú)立的測(cè)量步驟：傳導(dǎo)測(cè)試和輻射測(cè)試。

傳導(dǎo)測(cè)試是3GPP強(qiáng)制性認(rèn)證的一部分，即我們常說的衰落測(cè)試。這部分測(cè)試的目的是驗(yàn)證UE接收機(jī)在通信信道參數(shù)動(dòng)態(tài)變化時(shí)的性能。

而本文主要關(guān)注的是輻射測(cè)試，即雙通道法OTA測(cè)試，是用來檢驗(yàn)UE接收天線的相關(guān)性。輻射測(cè)試（OTA）與傳導(dǎo)測(cè)試互為補(bǔ)充，這樣大大降低了測(cè)試的復(fù)雜度。與一套完整的多徑傳播場(chǎng)景系統(tǒng)相比，大大降低了測(cè)試成本。傳導(dǎo)和輻射測(cè)量時(shí)的基站模擬器需要設(shè)置在相同的信令狀態(tài)。

圖2顯示了4個(gè)不同的LTE調(diào)制解調(diào)器的傳導(dǎo)測(cè)量結(jié)果。測(cè)試采用下行2×2MIMO的開環(huán)空分復(fù)用，16QAM調(diào)制，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對(duì)下行功率的函數(shù)曲線如圖所示。此時(shí)是采用兩根射頻線纜連接BSE到UE的天線端口，得到的結(jié)果提供了此傳輸機(jī)制和BSE設(shè)置下的靈敏度性能參考值。由于兩路接收沒有耦合，因此此時(shí)達(dá)到最大的空間分極。也就是說，MIMO的吞吐量測(cè)試在傳導(dǎo)模式時(shí)具有最好的靈敏度，此時(shí)的接收性能只取決于UE接收機(jī)的性能。

圖2　傳導(dǎo)測(cè)試模式，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對(duì)下行功率的函數(shù)

由圖2可見。UE2和UE4具有最好的接收靈敏度。UE1的靈敏度差了大約4dB。UE1，UE2，UE3工作在頻帶7（2.6GHz）。UE4工作在頻帶20（800MHz）。

輻射測(cè)試模式，發(fā)射天線對(duì)在不同的空間方位角對(duì)UE進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)方位角還有4種極化方式的組合（見圖3）。平均的吞吐量（RS EPRE）是各種測(cè)試結(jié)果的線性平均。UE2利用其內(nèi)置的天線；UE2 ExtAnt 則是采用兩支分開半波長正交極化的外置天線連到UE2的天線端口，這樣的布置提供了最好的MIMO天線性能，因?yàn)橥庵锰炀€的布置確保了最大的空間分極和極化分極。

圖3　輻射測(cè)試模式，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對(duì)下行功率的函數(shù)

UE4的MIMO天線性能產(chǎn)生了巨大的性能降低。即使它在傳導(dǎo)測(cè)試時(shí)達(dá)到了最好的MIMO靈敏度，但它在輻射測(cè)試時(shí)的平均吞吐量是很差的。同樣要達(dá)到最大吞吐量的一半，UE4比UE2多需要5dB的下行功率。實(shí)測(cè)結(jié)果與理論的預(yù)期是一致的：因?yàn)閁E4是工作在頻帶20（800MHz），波長大約為頻帶7的3倍。但UE4與UE2的外形尺寸是一樣緊湊的，因此很難將UE4的天線設(shè)計(jì)成與UE2達(dá)到一樣的空間分極和極化分極的效果。

除了吞吐量，其它的OTA參數(shù)也可由雙通道法得出，如EIS，TIS等。MIMO的EIS（有效各項(xiàng)同性靈敏度）3D分布圖可由RS AMS32系統(tǒng)軟件自動(dòng)生成（見圖4），此時(shí)的接收功率對(duì)應(yīng)5%的誤塊率（BLER）。

圖4　UE4的MIMO EIS 3D分布圖

4 MIMO OTA測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

與OTA標(biāo)準(zhǔn)最相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)體是美國的CTIA和3GPP的RAN4。當(dāng)前，多種不同的MIMO OTA測(cè)試方案進(jìn)行了提交和討論。測(cè)試方法的最后確定取決于測(cè)試結(jié)果的質(zhì)量（換句話說，是否可以判斷好的設(shè)計(jì)與不好的設(shè)計(jì)），也要考慮系統(tǒng)的復(fù)雜度，這與方案的投資成本是緊密相關(guān)的。此外，測(cè)試時(shí)間也是一個(gè)需要考慮的方面。歐洲的“COST行動(dòng) 2100”已經(jīng)奠定了MIMO OTA測(cè)試的基礎(chǔ)。新的“COST行動(dòng) IC1004”已于2011年夏天啟動(dòng)，它將會(huì)大大推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。

5 結(jié)束語

為了得到MIMO OTA性能的完整描述，需要兩支發(fā)射天線在各個(gè)入射角方向?qū)E天線進(jìn)行三維的測(cè)試，而且還需要各種極化方式的組合。傳導(dǎo)測(cè)試以及輻射測(cè)試相結(jié)合的分析方法，可用來判斷問題是出在無線設(shè)備的天線設(shè)計(jì)上，還是本身接收機(jī)的性能上。

雙通道測(cè)試法還可以用來檢驗(yàn)多徑傳播效應(yīng)（衰落）。此時(shí)，需要在MIMO OTA的TS8991測(cè)試系統(tǒng)里增加一臺(tái)帶衰落模塊的RS AMU200A基帶信號(hào)發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)將RS CMW500產(chǎn)生的下行數(shù)據(jù)流進(jìn)行衰落模擬。

羅德與施瓦茨的雙通道測(cè)試法的另一大優(yōu)點(diǎn)是可以在原來的SISO測(cè)試系統(tǒng)基礎(chǔ)上方便地進(jìn)行升級(jí)，只需增加第二個(gè)角度定位器控制系統(tǒng)以及第二支測(cè)試天線。大大地降低了成本，也滿足了業(yè)內(nèi)客戶的需求。