MIMO OTA雙通道高效率測試技術(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)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸速度的提高。相應(yīng)地，天線測試系統(tǒng)（OTA）也同樣需要升級到支持MIMO的測試模式。本文介紹了一種簡單而且經(jīng)濟(jì)的測試方法來驗證MIMO設(shè)備的OTA性能，包括各向同性靈敏度（EIS）和吞吐率。

1 MIMOOTA測量需要新的測量方法

高質(zhì)量的無線通信設(shè)備需要一個近似全向性的天線，OTA（天線性能測試）測試就是用來評估此天線的性能。如今，OTA測試是無線設(shè)備認(rèn)證測試時的一個重要測試項目：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，方便各自同時接收不同的數(shù)據(jù)流。為了評估整體接收天線的性能，只是分別評估每支接收天線的性能是不夠的，MIMO設(shè)備的OTA性能測試需要在以下工作機(jī)制下進(jìn)行測量：

●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)。客觀存在的多徑效應(yīng)，讓它從各個角度實現(xiàn)多路接收，因此在OTA測試時，也需要對它進(jìn)行全三維的分析評估，即球面的測量方法提供了與真實工作情況相似的條件。

2 高效的MIMOOTA測試方法：雙通道測試方案

2G和3G中SISO的OTA測試是強(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測試系統(tǒng)可以方便地升級到MIMOOTA的測試。羅德與施瓦茨的雙通道測試法可以方便地實現(xiàn)這樣的需求。

雙通道測量法是一種檢驗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)動的測試天線，分別發(fā)射不同的MIMO下行信號。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個角度定位裝置：角定位器，兩支測試天線：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）和一個開關(guān)矩陣（RSOSP130）。

圖1　支持雙通道法的MIMO OTA測試系統(tǒng)TS8991方框圖

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

3 傳導(dǎo)和輻射測試的結(jié)果

實際上，具有一定方向圖的接收天線模塊可看成是一個附加的相關(guān)組件，通常它會增加接收機(jī)輸入端數(shù)據(jù)流的相關(guān)性，因此會影響整個MIMO接收的性能。所以，我們希望的理想MIMO天線不會對數(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)境衰落場景，而且在每種場景中模擬出不同的方向特性。現(xiàn)實環(huán)境中會有各種的入射角和極化場景的不同分布。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MIMO測試分為兩個獨立的測量步驟：傳導(dǎo)測試和輻射測試。

傳導(dǎo)測試是3GPP強(qiáng)制性認(rèn)證的一部分，即我們常說的衰落測試。這部分測試的目的是驗證UE接收機(jī)在通信信道參數(shù)動態(tài)變化時的性能。

而本文主要關(guān)注的是輻射測試，即雙通道法OTA測試，是用來檢驗UE接收天線的相關(guān)性。輻射測試（OTA）與傳導(dǎo)測試互為補充，這樣大大降低了測試的復(fù)雜度。與一套完整的多徑傳播場景系統(tǒng)相比，大大降低了測試成本。傳導(dǎo)和輻射測量時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個不同的LTE調(diào)制解調(diào)器的傳導(dǎo)測量結(jié)果。測試采用下行2×2MIMO的開環(huán)空分復(fù)用，16QAM調(diào)制，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對下行功率的函數(shù)曲線如圖所示。此時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，因此此時達(dá)到最大的空間分極。也就是說，MIMO的吞吐量測試在傳導(dǎo)模式時具有最好的靈敏度，此時的接收性能只取決于UE接收機(jī)的性能。

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

輻射測試模式，發(fā)射天線對在不同的空間方位角對UE進(jìn)行測試，每個方位角還有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，因為外置天線的布置確保了最大的空間分極和極化分極。

圖3　輻射測試模式，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對下行功率的函數(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)測試時達(dá)到了最好的MIMO靈敏度，但它在輻射測試時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。實測結(jié)果與理論的預(yù)期是一致的：因為UE4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（有效各項同性靈敏度）3D分布圖可由RS AMS32系統(tǒng)軟件自動生成（見圖4），此時的接收功率對應(yīng)5%的誤塊率（BLER）。

圖4　UE4的MIMO EIS 3D分布圖

4 MIMO OTA測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程

與OTA標(biāo)準(zhǔn)最相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化實體是美國的CTIA和3GPP的RAN4。當(dāng)前，多種不同的MIMO OTA測試方案進(jìn)行了提交和討論。測試方法的最后確定取決于測試結(jié)果的質(zhì)量（換句話說，是否可以判斷好的設(shè)計與不好的設(shè)計），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，測試時間也是一個需要考慮的方面。歐洲的“COST行動 2100”已經(jīng)奠定了MIMO OTA測試的基礎(chǔ)。新的“COST行動 IC1004”已于2011年夏天啟動，它將會大大推動標(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)射天線在各個入射角方向?qū)E天線進(jìn)行三維的測試，而且還需要各種極化方式的組合。傳導(dǎo)測試以及輻射測試相結(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)計上，還是本身接收機(jī)的性能上。

雙通道測試法還可以用來檢驗多徑傳播效應(yīng)（衰落）。此時，需要在MIMO OTA的TS8991測試系統(tǒng)里增加一臺帶衰落模塊的RS AMU200A基帶信號發(fā)生器，可實現(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試法的另一大優(yōu)點是可以在原來的SISO測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上方便地進(jìn)行升級，只需增加第二個角度定位器控制系統(tǒng)以及第二支測試天線。大大地降低了成本，也滿足了業(yè)內(nèi)客戶的需求。