把真實(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境帶進(jìn)實(shí)驗(yàn)室-SR5500M

1 真實(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境測(cè)試簡(jiǎn)介

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試都是采用線(xiàn)纜連接，采用協(xié)議定義好的標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行一系列的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證和估計(jì)接收機(jī)算法在外場(chǎng)可能的表現(xiàn)。它忽略了兩個(gè)重要的問(wèn)題。

（1）線(xiàn)纜連接的測(cè)試沒(méi)有測(cè)試到接收機(jī)的天饋部分。而真實(shí)UE在網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)是先經(jīng)過(guò)天線(xiàn)，饋線(xiàn)再進(jìn)入接收模塊的。因此，必須要有一種手段能夠在MIMO的情況下把終端和天饋一起進(jìn)行測(cè)試。

（2）傳統(tǒng)的測(cè)試是采用標(biāo)準(zhǔn)的信道模型，標(biāo)準(zhǔn)信道模型的確描述了幾大類(lèi)的外場(chǎng)情況，但歸根結(jié)底它是一種建模后的模型。在真實(shí)性上，它無(wú)法和真實(shí)的路測(cè)結(jié)果進(jìn)行一一匹配。因此，需要有一種手段能在MIMO情況下在外場(chǎng)收集信道數(shù)據(jù)，并且能在實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)進(jìn)行回放，從而得到類(lèi)似于在實(shí)驗(yàn)室完成虛擬路測(cè)的能力。

MIMO-OTA是解決問(wèn)題（1）的測(cè)試手段，而虛擬路測(cè)是解決問(wèn)題（2）的測(cè)試手段。下面我們來(lái)著重介紹思博倫關(guān)于對(duì)這兩種測(cè)試手段的解決方案。

2 Virtual Drive Test (虛擬路測(cè))

最真實(shí)的場(chǎng)景測(cè)試是在現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行路測(cè)。那何為虛擬路測(cè)呢？

虛擬路測(cè)是能夠重復(fù)地產(chǎn)生真實(shí)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的信道統(tǒng)計(jì)規(guī)律和時(shí)變特性，并且能使用多通道來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中的多小區(qū)信道環(huán)境從而產(chǎn)生小區(qū)重選或者切換的真實(shí)場(chǎng)景的技術(shù)。它的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一套能從外場(chǎng)抓取的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，并把它轉(zhuǎn)換到信道仿真設(shè)備進(jìn)行外場(chǎng)數(shù)據(jù)回放的系統(tǒng)。

虛擬路測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試的可重復(fù)性，減少路測(cè)時(shí)間以節(jié)省測(cè)試費(fèi)用和提高測(cè)試效率，同時(shí)也可以對(duì)一些不方便帶到外場(chǎng)（如因?yàn)楣菊?，或接收機(jī)的尺寸，或者外場(chǎng)環(huán)境易變性不適合做對(duì)比測(cè)試等）的設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室完成測(cè)試。

整個(gè)虛擬路測(cè)的過(guò)程如圖1所示。

圖1 虛擬路測(cè)過(guò)程

步驟1：使用如掃頻儀，UE和GPS等設(shè)備在外場(chǎng)抓取無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，使用記錄工具如TEMS，PCTEL，Accuver，Agilent等軟件保存原始路測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中可以包含多小區(qū)的數(shù)據(jù)。

步驟2：使用一個(gè)對(duì)原始數(shù)據(jù)的分析和轉(zhuǎn)換工具輸出需要的無(wú)線(xiàn)環(huán)境及多徑信道參數(shù)，如接受功率、載噪比、多徑的數(shù)目、時(shí)延、相對(duì)衰落等。

步驟3：把輸出的信道參數(shù)映射到無(wú)線(xiàn)信道仿真器的各個(gè)通道，應(yīng)用多徑模型，增加噪聲把路測(cè)導(dǎo)出的數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)中進(jìn)行回放?；胤藕蟮臏y(cè)試結(jié)果和實(shí)際的路測(cè)結(jié)果也可以做相互的驗(yàn)證和對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)描述參見(jiàn)圖2。外場(chǎng)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的參數(shù)在信道仿真器中被回放。

圖2 信道回放實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)配置

思博倫SR5500M信道仿真器是世界上最通用的信道仿真器。它參與了所有無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展演進(jìn)和部署的測(cè)試過(guò)程，如cdma2000，EV-DO，GSM，F(xiàn)OMA，WCDMA，HSPA，現(xiàn)在開(kāi)始支持3G的技術(shù)如LTE，WiMAX，并且它能把真實(shí)的無(wú)線(xiàn)環(huán)境帶入到實(shí)驗(yàn)室。SR5500的測(cè)試能力如圖3所示，它內(nèi)置了實(shí)時(shí)引擎和回放引擎兩種引擎，來(lái)很好地輔助實(shí)現(xiàn)虛擬路測(cè)。

圖3 SR5500測(cè)試特性和能力

SR5500是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的信道仿真器。它除了能完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信道模型測(cè)試之外，還能夠更進(jìn)一步的對(duì)多徑信道參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制從而更接近于真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景。SR5500可被動(dòng)態(tài)改變的多徑參數(shù)參見(jiàn)表1，表2。

表1 經(jīng)典信道模型的動(dòng)態(tài)參數(shù)

表2 地理信道模型的動(dòng)態(tài)參數(shù)

對(duì)于以上動(dòng)態(tài)能力中，動(dòng)態(tài)相關(guān)性矩陣和動(dòng)態(tài)地理信道模型參數(shù)是SR5500M獨(dú)一無(wú)二的功能（見(jiàn)圖4）。

圖4 SR5500獨(dú)一無(wú)二的動(dòng)態(tài)能力

除了上面介紹的虛擬路測(cè)概念之外，由于SR5500支持導(dǎo)入數(shù)據(jù)為EXCEL格式，它也提供了一種用戶(hù)自定義動(dòng)態(tài)測(cè)試場(chǎng)景的能力。如果你能想像出一種可能的、極端的外場(chǎng)場(chǎng)景，并且能夠通過(guò)一些數(shù)學(xué)的方式使用基于時(shí)間的變化公式來(lái)描述它，你完全可以在實(shí)驗(yàn)室使用SR5500測(cè)試平臺(tái)來(lái)把你希望的無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景進(jìn)行創(chuàng)建。你所需要做的工作就是在EXCEL里進(jìn)行公示創(chuàng)建，以及進(jìn)行EXCEL單元格的拷貝復(fù)制等操作即可完成你的目的，具體參見(jiàn)圖5。

圖5 用戶(hù)自定義的外場(chǎng)無(wú)線(xiàn)場(chǎng)景

下面是對(duì)SR5500對(duì)虛擬路測(cè)支持的一個(gè)回顧：

●有效使用SR5500的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)引擎可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試平臺(tái)上可靠地重現(xiàn)不同的場(chǎng)景：提供動(dòng)態(tài)相關(guān)性矩陣的能力，支持所有通道的時(shí)間同步特性并行進(jìn)行多通道的信道仿真，提供模塊化的能力使得系統(tǒng)可被平滑地?cái)U(kuò)展。

●SR5500可以有效地在實(shí)驗(yàn)室對(duì)一個(gè)外場(chǎng)的虛擬環(huán)境進(jìn)行回放。

●SR5500實(shí)時(shí)的DEE引擎提供了需要的測(cè)試能力對(duì)所有現(xiàn)有的單天線(xiàn)SISO和多天線(xiàn)MIMO技術(shù)的信道參數(shù)進(jìn)行回放 (GSM，WCDMA，WiMAX，LTE等)。

●SR5500虛擬路測(cè)能力使得使用者可以在實(shí)驗(yàn)室對(duì)在外場(chǎng)收集的路測(cè)數(shù)據(jù)以最快10ms的間隔進(jìn)行回放。

●雖然SR5500不能完全代替真實(shí)的外場(chǎng)測(cè)試，但它對(duì)于在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比測(cè)試以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試問(wèn)題進(jìn)行故障定位提供了一種有效的補(bǔ)充辦法。

3 MIMO OTA空口測(cè)試

許多實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)都是用傳導(dǎo)測(cè)試，這意味著所有的射頻信號(hào)都是通過(guò)線(xiàn)纜連接進(jìn)行。在這種方式下，信號(hào)傳播沒(méi)有經(jīng)過(guò)終端的天饋部分，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和真實(shí)網(wǎng)絡(luò)相比仍然有不夠真實(shí)的地方。由于天線(xiàn)波瓣圖，UE的位置和朝向都會(huì)影響MIMO的性能，所以MIMO在空口(Over the Air)方式下進(jìn)行測(cè)試就顯得特別必要。目前，有很多對(duì)MIMO-OTA方面的研究，實(shí)驗(yàn)室的MIMO-OTA解決方案也有幾種不同的提案。第1種是使用相位偏移的正弦和方案（見(jiàn)表3）。第2種是反射暗室方案（見(jiàn)表4）。第3種是虛擬MIMO-OTA方案：使用線(xiàn)纜連接進(jìn)行測(cè)試，但導(dǎo)入已知的天線(xiàn)方向性信息（見(jiàn)表5）。第4種是信道仿真器加暗室的方案（見(jiàn)表6）。

表3 相位偏移的正弦和方案

表4 反射暗室方案

表5 虛擬MIMO-OTA方案

表6 信道仿真器加暗室的方案

本文主要討論的是思博倫對(duì)于第4種MIMO-OTA貢獻(xiàn)的解決方案。在MIMO-OTA中，地理信道模型通常被用來(lái)進(jìn)行信道建模，因?yàn)樗瑢拵o(wú)線(xiàn)通信技術(shù)必要的空間和時(shí)間方面的多徑衰落特性。這些無(wú)線(xiàn)信道由不同的信號(hào)分量組成，它們和暗室一起工作就產(chǎn)生了OTA的測(cè)試場(chǎng)景。這其中包含窄角度擴(kuò)展的多徑信號(hào)（從散射體過(guò)來(lái)的信號(hào)），它們被給定了入射角和時(shí)延。多條徑組成了一個(gè)有時(shí)延分布的頻選通道。為了實(shí)現(xiàn)評(píng)估MIMO-OTA技術(shù)的目的，COST2100標(biāo)準(zhǔn)組織選擇了SCME (Extended Spatial Channel Model) 信道模型作為研究和分析的對(duì)象。

思博倫在3GPP TSG組的會(huì)議中提出了3-Component 模型用于MIMO-OTA測(cè)試。這個(gè)3-Component模型提案減少了暗室的復(fù)雜度，它在暗室中只需要布置6個(gè)天線(xiàn)的位置，即可實(shí)現(xiàn)應(yīng)用不同的信道模型進(jìn)行MIMO-OTA的測(cè)試，它包含：

●4 條被精確定義的SCME 35? 窄角度擴(kuò)展徑，每條徑有不同的入射角。

●許多寬角度擴(kuò)展徑通過(guò)4，5，6三根天線(xiàn)分布，產(chǎn)生一些較弱的信號(hào)。

●天線(xiàn)可以是單極化或者雙極化天線(xiàn)，可以導(dǎo)入預(yù)先定義的基站元素的相關(guān)性。

基于此方案，使用有限的天線(xiàn)數(shù)目加上預(yù)先衰落的不同時(shí)延的信號(hào)進(jìn)入不同天線(xiàn)，我們可以實(shí)現(xiàn)很多不同的空間信道衰落情況?？梢灶A(yù)計(jì)，通過(guò)此方案，在考慮實(shí)際的簡(jiǎn)化暗室OTA測(cè)試設(shè)計(jì)的同時(shí)，它仍能給出一系列信道模型下具有實(shí)際意義的OTA測(cè)試結(jié)果。

如圖6所示，需要產(chǎn)生依其定義的信號(hào)來(lái)完成OTA測(cè)試。然而，根本不需要使用20個(gè)獨(dú)立的天線(xiàn)組成來(lái)產(chǎn)生這樣分布的一個(gè)信號(hào)。通過(guò)定義不同的入射角和相對(duì)功率，可以大大減少信號(hào)組成，依然能獲得通過(guò)20條35? 角度擴(kuò)展內(nèi)子徑最終效果非常接近的辦法。圖6中顯示的就是使用3-Component方法（其實(shí)不管分量的數(shù)目多少，通過(guò)時(shí)延的分布，功率的調(diào)整，總能得到盡量接近的特定方向角的信道條件來(lái)實(shí)現(xiàn)OTA的測(cè)試)。

圖6 3-Component Power Weighted Rayleigh Faded Signal

圖7闡述了怎么把多徑信號(hào)映射到不同天線(xiàn)輸出，然后應(yīng)用于OTA測(cè)試的過(guò)程。為了仿真一個(gè)特定方向角擴(kuò)展的場(chǎng)景，OTA天線(xiàn)在暗室中以54.49? 的間隔分布，6根天線(xiàn)大致完成了整個(gè)圓圈的覆蓋。被預(yù)先衰落的信號(hào)分量然后被輸入到各個(gè)天線(xiàn)口，每3根天線(xiàn)被組合，產(chǎn)生不同時(shí)延的多徑分量——而這對(duì)應(yīng)了 SCM信道模型中的不同徑都有分量是從同一根天線(xiàn)發(fā)出來(lái)的。

圖7 把多徑映射到天線(xiàn)

在這個(gè)例子中，由于對(duì)稱(chēng)的關(guān)系，多徑的平均入射角是3天線(xiàn)組的中間一根天線(xiàn)的入射角。使用有限數(shù)目的天線(xiàn)（每?jī)筛炀€(xiàn)之間夾角為54.49?），總共有4個(gè)入射角方向的信號(hào)可以被量化（見(jiàn)圖8）。如果放入更多的天線(xiàn)，則可以得到更多入射角方向的信號(hào)，當(dāng)然在保證測(cè)試結(jié)果的前提下，天線(xiàn)數(shù)當(dāng)然是越小越好。該實(shí)現(xiàn)從每根天線(xiàn)都有信道仿真后的信號(hào)分量發(fā)出，而且在入射方向都加入了單極化或雙極化或交叉極化的天線(xiàn)模型。

圖8 6天線(xiàn)配置的實(shí)現(xiàn)

圖9描述了思博倫3-Component MIMO-OTA測(cè)試解決方案的設(shè)備及連線(xiàn)情況。

圖9 思博倫3-Component MIMO-OTA測(cè)試解決方案

思博倫的3-Component提案和理想的仿真如20正弦情況相比，根據(jù)我們的仿真結(jié)果來(lái)看，3-Component和理想情況非常接近。下面是一些分析結(jié)果（見(jiàn)圖10，11，12，13，14，15）。

圖10 Matching the Correlation with 3 Signal Components

圖11 Phase Characteristics using 3 Signal Components

圖12 Sum-of-Sinusoids Signal Envelope CDF

圖13 Signal Autocorrelation for Sum-of-Sinusiods

圖14 Signal Envelope CDF for Pre-faded Sub-path Combinations

圖15 Signal Autocorrelation for Pre-faded Sub-path Combinations

利用思博倫的這個(gè)提案，設(shè)計(jì)同時(shí)滿(mǎn)足COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA測(cè)試解決方案是可行的。通過(guò)選擇天線(xiàn)的數(shù)目和位置，選擇合適的空間信道場(chǎng)景，在同一個(gè)暗室中，可以建造同時(shí)兼容COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA測(cè)試規(guī)范。當(dāng)然，滿(mǎn)足兩者要求的暗室需要另外討論。

基于以上討論，思博倫認(rèn)為MIMO-OTA技術(shù)：

●不同的MIMO-OTA技術(shù)有不同的優(yōu)缺點(diǎn)。
●對(duì)于MIMO終端的真實(shí)性能（真實(shí)空口測(cè)試）是MIMO-OTA測(cè)試的基本目標(biāo)。
●可重復(fù)性、可控制性和真實(shí)外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果更接近是主要的考慮目標(biāo)。
●思博倫提案了3-Component模型可以精確地匹配窄角度擴(kuò)展并很好地匹配空間信道模型SCME進(jìn)行測(cè)試。
●常用的N-component 模型可以仿真任意入射角，同時(shí)也不會(huì)犧牲精確度。