多天線終端測試方法的演進(jìn)、理論與實(shí)踐

　　3、ABP的工作進(jìn)展

　　廣播電視規(guī)劃院(ABP)從2011 年開始介入了多天線終端測試方法的研究，目前主要建立了單簇法的多探頭MIMOOTA 測試系統(tǒng)，不僅對各個(gè)部件做了驗(yàn)證[39]，而且對整個(gè)系統(tǒng)的最終信道模型做了驗(yàn)證，并于2013 年開始參加了CTIA組織的比對測試[40]。本節(jié)將主要介紹這方面的內(nèi)容。

　　3.1、ABP 單簇法MIMO OTA 系統(tǒng)

　　廣播電視規(guī)劃院的單簇法實(shí)驗(yàn)室連接示意圖見圖10，這個(gè)方案最大的特點(diǎn)是由原來的常規(guī)單天線終端OTA 測試暗室(ETS AMS8600)改造而來，暗室的尺寸見表1。由于不需要另外搭建暗室，不僅使得系統(tǒng)建造的成本大幅下降，也同時(shí)免去了另建暗室尋址時(shí)的麻煩。在這個(gè)單簇法MIMO OTA 技術(shù)平臺上，包含信道驗(yàn)證在內(nèi)的大部分多探頭系統(tǒng)的基本研究得以推進(jìn)。

　　表1、ABP 暗室數(shù)據(jù)

　　圖10、廣播電視規(guī)劃院(ABP) 單簇法MIMO OTA 測試系統(tǒng)

　　通過特別的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以在MIMO OTA 與常規(guī)OTA測試之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換需要2 個(gè)人花大約5~10 分鐘的時(shí)間，見圖11，因此系統(tǒng)能夠兼顧常規(guī)天線/ 終端OTA 測試與多天線終端的MIMO OTA 測試。

　　圖11、單簇法MIMO OTA 與SISO OTA 測試環(huán)境的切換

　　3.2、系統(tǒng)及各部件的驗(yàn)證

　　3.2.1 暗室特性變化

　　如前文所述，ABP 的單簇MIMO OTA 在SISO 暗室的基礎(chǔ)上組建，通過在暗室內(nèi)安置的天線支撐件，可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行兩種測試模式的切換，但相比于原SISO 暗室，增加的組件可能會影響暗室的特性，因此我們依照CTIA 的要求，在兩種環(huán)境下進(jìn)行了紋波測試，分別完成了自由空間下的30cm半徑與50cm 半徑靜區(qū)在兩個(gè)頻點(diǎn)的比對，結(jié)果見表2 及表3。

　　表2、SISO 暗室的紋波測試比對驗(yàn)證(30cm 靜區(qū))

　　表3、SISO 暗室的紋波測試比對驗(yàn)證(50cm 靜區(qū))

　　測試結(jié)果表明擴(kuò)展不確定幾乎沒有太大變化，增加天線支撐架后進(jìn)行SISO OTA 測試的暗室環(huán)境的擴(kuò)展不確定度仍然滿足CTIA 小于2 的要求。

　　3.2.2、信道仿真器特性及信號漂移

　　作為核心部件，信道仿真器的特性極大地影響著整個(gè)系圖10 廣播電視規(guī)劃院(ABP) 單簇法MIMO OTA 測試系統(tǒng)統(tǒng)的不確定度，我們需要知道信道仿真器設(shè)置及輸入信號對于輸出信號的影響程度;同時(shí)，信道仿真器作為一個(gè)有源設(shè)備，取決于內(nèi)部部件的質(zhì)量，其輸出信號的幅度與相位均可能會隨環(huán)境(溫度、濕度)發(fā)生不同程度的漂移，如果漂移情況嚴(yán)重，信道仿真器將會對整個(gè)系統(tǒng)的不確定度產(chǎn)生影響。

　　我們在兩個(gè)工作日分別做了不同的輸入功率下，一分鐘內(nèi)信號仿真器的輸出信號幅度與相位的變化測試，最惡劣的結(jié)果記錄在表4 中，此外對兩個(gè)工作日的輸出信號做橫向比較，以便了解長期情況下，其信號的漂移情況。根據(jù)測試結(jié)果，推薦的操作是：進(jìn)行MIMO OTA 測試時(shí)，應(yīng)維持基站模擬器的輸入功率不變，根據(jù)信道仿真器設(shè)置，推薦輸入功率的范圍如下：

　　表4、信道仿真器的輸入設(shè)置對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

　　(EIL-20) ≤INPUT ≤(EIL+CE) (7)

　　也即輸入功率應(yīng)該盡量接近期待功率(EIL)，其變化范圍最小應(yīng)大于設(shè)置的期待功率20dB以上，最大則不能比設(shè)置的期待功率的峰均比(CF)更大，否則系統(tǒng)的不確定將增大。對于信道仿真器的信號漂移，在符合式(7)的情況下，表5 的測試結(jié)果證明信道仿真器輸出信號的幅度漂移不超過0.1dB，相位變化不超過1.5 度，因此我們可以認(rèn)為信道仿真器在整個(gè)測試過程中是較為穩(wěn)定的。

　　表5、信道仿真器信號漂移研究(長期)

　　3.2.3、功率放大器特性及信號漂移

　　用于補(bǔ)償路徑衰減的功率放大器其通道數(shù)與信道仿真器相同，其特性同樣對整個(gè)系統(tǒng)的不確定度產(chǎn)生影響。通常，功率放大器需要有30 分鐘的預(yù)熱時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，其輸出信號幅度可能有0.5dB~1dB 的變化，30 分鐘后輸出將趨穩(wěn)，因此我們推薦整個(gè)系統(tǒng)的預(yù)熱時(shí)間一般在30 分鐘，之后再做所有其他的驗(yàn)證或測試工作。

　　在開始測試之前，必須獲取功率放大器的線性工作區(qū)間，我們對所用到的功率放大器進(jìn)行了四個(gè)頻點(diǎn)不同輸入功率的測試，其增益測試結(jié)果見圖12，從圖中可以看出輸入功率大于-30dBm 時(shí)將逐漸進(jìn)入1dB 壓縮點(diǎn)，因此我們所有后續(xù)工作中，將使得功率放大器的輸入功率控制在-30dBm 以下。

　　圖12、功率放大器的增益及線性范圍

　　功率放大器的長期信號漂移是描述對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)室在兩個(gè)工作時(shí)段，這決定了實(shí)驗(yàn)室是否能夠在幾周甚至幾個(gè)月時(shí)長內(nèi)，沿用同一個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。我們的摸底測試是在兩個(gè)工作日，對功率放大器分別重新啟動、預(yù)熱30 分鐘之后，輸入設(shè)置統(tǒng)一分別設(shè)置為-40dBm(線性區(qū)間之內(nèi))，測試功率放大器的六個(gè)通道，在不同的頻率點(diǎn)的輸出信號幅度與相位的差異值，測試結(jié)果見圖13，測試結(jié)果表明兩次測試功率放大器最大的信號幅度漂移可能超過1dB，相位漂移則相對較小，這意味著系統(tǒng)在不同的工作時(shí)間，測量不確定可能會由于功率放大器的信號漂移而大幅增大，因此我們建議系統(tǒng)應(yīng)該進(jìn)行日常校準(zhǔn)工作，即校準(zhǔn)文件需要經(jīng)常進(jìn)行更新。

　　功率放大器的短期信號漂移是描述對應(yīng)于某一次測試過程中，如40 分鐘，輸出信號的變化，我們記錄到40 分鐘最大的信號幅度變化在0.1dB 以下，這證明在同一次測試過程中，功率放大器的信號漂移不會對系統(tǒng)測試結(jié)果產(chǎn)生影響。

　　圖13、功率放大器各通道的信號漂移(長期)

　　3.2.4、多探頭之間的耦合情況

　　對于多探頭系統(tǒng)，天線探頭之間的互相耦合可能會影響到測試結(jié)果，這種影響的評估在尺寸較小的暗室配置中顯得更為重要，在ABP MIMO OTA 單簇法系統(tǒng)中使用到了3 個(gè)雙極化的天線探頭，我們分別對3 個(gè)天線的兩種極化做了測試，測試結(jié)果見圖14，測試結(jié)果表明最大的耦合發(fā)生在3 號天線的垂直與水平極化之間，在1.2GHz 約為-18dB，其他耦合一般小于-30dB。

　　圖14、暗室內(nèi)天線探頭之間及各極化方向的信號耦合情況

　　3.3、信道模型的驗(yàn)證

　　作為系統(tǒng)信道環(huán)境重建成功與否的重要確認(rèn)，在正式開始測試之前，無論是何種測試方法，均應(yīng)當(dāng)對暗室/ 混響室內(nèi)部的信道模型做一個(gè)完整的驗(yàn)證。廣播電視規(guī)劃院對單簇模型的信道驗(yàn)證結(jié)果在參考文獻(xiàn)[40] 中有詳細(xì)的介紹，PDP、多普勒頻移和空間相關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果見圖15、表6 及圖16。

　　圖15、ABP 單簇法信道模型的驗(yàn)證：時(shí)延特性

　　表6、多普勒擴(kuò)展的驗(yàn)證結(jié)果

　　圖16、ABP 單簇法信道模型的驗(yàn)證：空間相關(guān)性

　　3.4、測試區(qū)域內(nèi)的信號功率與SIR 驗(yàn)證

　　在目前的MIMO OTA 針對吞吐量測試，必須對測試區(qū)域內(nèi)的參考測試信號功率(RS-EPRE)及SIR 值進(jìn)行驗(yàn)證，否則不同實(shí)驗(yàn)室之間的測試數(shù)據(jù)無法進(jìn)行統(tǒng)一和比較。參考文獻(xiàn)[41]、[42]、[43] 中列舉了測試功率及SIR 的定義和驗(yàn)證方法。

　　廣播電視規(guī)劃院的單簇MIMO OTA 系統(tǒng)的信號功率與SIR 驗(yàn)證結(jié)果在參考文獻(xiàn)[39] 中已列舉，摘錄如下：在測試區(qū)域中的RS-EPRE 的計(jì)算值與實(shí)際測試值之間差異為-0.34861 dB ;在UMi、UMa/A、UMa/B 信道模型下，測試區(qū)域中的SIR 目標(biāo)值與實(shí)際測試值之間的差異分別為-0.28dB，-0.58dB 及-0.47dB。

　　3.5、實(shí)際測試結(jié)果

　　在CTIA 開展的第二輪比對測試當(dāng)中，廣播電視規(guī)劃院利用建立的單簇法MIMO OTA 測試系統(tǒng)對送樣的3 類天線及其終端進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明單簇法可以很好地將3 個(gè)終端進(jìn)行區(qū)分，不同的信道模型對終端吞吐量的影響也清晰可辨(圖17) 。

　　圖17、ABP 單簇法實(shí)測結(jié)果

　　4、結(jié)束語

　　在本文當(dāng)中，以多探頭方案為主介紹了各種多天線終端的測試方法，并闡述了信道模型及其驗(yàn)證在多天線終端的性能評估方案中的重要意義，對以單簇法為代表的多探頭方案在系統(tǒng)校準(zhǔn)、信道驗(yàn)證、測試方法等細(xì)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

　　中國的4G 牌照已于2013 年12 月4 日發(fā)放，多天線終端和MIMO 技術(shù)將逐漸成為主流，與此同時(shí)，隨著國家地面數(shù)字電視的推廣和高清多屏互動的應(yīng)用，以802.11ac 為代表的WiFi 多天線技術(shù)也將進(jìn)入普通家庭。在這個(gè)背景下，MIMO OTA 作為保障用戶體驗(yàn)的終端性能評估方法，其研究和演進(jìn)必然對整個(gè)無線通信行業(yè)及多天線技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。