把真實無線環(huán)境帶進實驗室-SR5500M

1 真實無線環(huán)境測試簡介

傳統的實驗室測試都是采用線纜連接，采用協議定義好的標準模型進行一系列的測試來驗證和估計接收機算法在外場可能的表現。它忽略了兩個重要的問題。

（1）線纜連接的測試沒有測試到接收機的天饋部分。而真實UE在網絡中信號是先經過天線，饋線再進入接收模塊的。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行測試。

（2）傳統的測試是采用標準的信道模型，標準信道模型的確描述了幾大類的外場情況，但歸根結底它是一種建模后的模型。在真實性上，它無法和真實的路測結果進行一一匹配。因此，需要有一種手段能在MIMO情況下在外場收集信道數據，并且能在實驗室系統進行回放，從而得到類似于在實驗室完成虛擬路測的能力。

MIMO-OTA是解決問題（1）的測試手段，而虛擬路測是解決問題（2）的測試手段。下面我們來著重介紹思博倫關于對這兩種測試手段的解決方案。

2 Virtual Drive Test (虛擬路測)

最真實的場景測試是在現網中進行路測。那何為虛擬路測呢？

虛擬路測是能夠重復地產生真實無線環(huán)境的信道統計規(guī)律和時變特性，并且能使用多通道來實現真實網絡中的多小區(qū)信道環(huán)境從而產生小區(qū)重選或者切換的真實場景的技術。它的目標是設計一套能從外場抓取的無線數據，并把它轉換到信道仿真設備進行外場數據回放的系統。

虛擬路測技術的優(yōu)點是測試的可重復性，減少路測時間以節(jié)省測試費用和提高測試效率，同時也可以對一些不方便帶到外場（如因為公司政策，或接收機的尺寸，或者外場環(huán)境易變性不適合做對比測試等）的設備在實驗室完成測試。

整個虛擬路測的過程如圖1所示。

圖1 虛擬路測過程

步驟1：使用如掃頻儀，UE和GPS等設備在外場抓取無線數據，使用記錄工具如TEMS，PCTEL，Accuver，Agilent等軟件保存原始路測數據，數據中可以包含多小區(qū)的數據。

步驟2：使用一個對原始數據的分析和轉換工具輸出需要的無線環(huán)境及多徑信道參數，如接受功率、載噪比、多徑的數目、時延、相對衰落等。

步驟3：把輸出的信道參數映射到無線信道仿真器的各個通道，應用多徑模型，增加噪聲把路測導出的數據在實驗室平臺中進行回放。回放后的測試結果和實際的路測結果也可以做相互的驗證和對比。

實驗室系統描述參見圖2。外場無線環(huán)境的參數在信道仿真器中被回放。

圖2 信道回放實驗室系統配置

思博倫SR5500M信道仿真器是世界上最通用的信道仿真器。它參與了所有無線通信技術的發(fā)展演進和部署的測試過程，如cdma2000，EV-DO，GSM，FOMA，WCDMA，HSPA，現在開始支持3G的技術如LTE，WiMAX，并且它能把真實的無線環(huán)境帶入到實驗室。SR5500的測試能力如圖3所示，它內置了實時引擎和回放引擎兩種引擎，來很好地輔助實現虛擬路測。

圖3 SR5500測試特性和能力

SR5500是業(yè)界標準的信道仿真器。它除了能完成標準規(guī)定的信道模型測試之外，還能夠更進一步的對多徑信道參數進行動態(tài)控制從而更接近于真實網絡的無線場景。SR5500可被動態(tài)改變的多徑參數參見表1，表2。

表1 經典信道模型的動態(tài)參數

表2 地理信道模型的動態(tài)參數

對于以上動態(tài)能力中，動態(tài)相關性矩陣和動態(tài)地理信道模型參數是SR5500M獨一無二的功能（見圖4）。

圖4 SR5500獨一無二的動態(tài)能力

除了上面介紹的虛擬路測概念之外，由于SR5500支持導入數據為EXCEL格式，它也提供了一種用戶自定義動態(tài)測試場景的能力。如果你能想像出一種可能的、極端的外場場景，并且能夠通過一些數學的方式使用基于時間的變化公式來描述它，你完全可以在實驗室使用SR5500測試平臺來把你希望的無線場景進行創(chuàng)建。你所需要做的工作就是在EXCEL里進行公示創(chuàng)建，以及進行EXCEL單元格的拷貝復制等操作即可完成你的目的，具體參見圖5。

圖5 用戶自定義的外場無線場景

下面是對SR5500對虛擬路測支持的一個回顧：

●有效使用SR5500的動態(tài)實時引擎可以在實驗室測試平臺上可靠地重現不同的場景：提供動態(tài)相關性矩陣的能力，支持所有通道的時間同步特性并行進行多通道的信道仿真，提供模塊化的能力使得系統可被平滑地擴展。

●SR5500可以有效地在實驗室對一個外場的虛擬環(huán)境進行回放。

●SR5500實時的DEE引擎提供了需要的測試能力對所有現有的單天線SISO和多天線MIMO技術的信道參數進行回放 (GSM，WCDMA，WiMAX，LTE等)。

●SR5500虛擬路測能力使得使用者可以在實驗室對在外場收集的路測數據以最快10ms的間隔進行回放。

●雖然SR5500不能完全代替真實的外場測試，但它對于在真實環(huán)境下進行對比測試以及對現場的測試問題進行故障定位提供了一種有效的補充辦法。

3 MIMO OTA空口測試

許多實驗室測試系統都是用傳導測試，這意味著所有的射頻信號都是通過線纜連接進行。在這種方式下，信號傳播沒有經過終端的天饋部分，實驗室測試和真實網絡相比仍然有不夠真實的地方。由于天線波瓣圖，UE的位置和朝向都會影響MIMO的性能，所以MIMO在空口(Over the Air)方式下進行測試就顯得特別必要。目前，有很多對MIMO-OTA方面的研究，實驗室的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（見表3）。第2種是反射暗室方案（見表4）。第3種是虛擬MIMO-OTA方案：使用線纜連接進行測試，但導入已知的天線方向性信息（見表5）。第4種是信道仿真器加暗室的方案（見表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于第4種MIMO-OTA貢獻的解決方案。在MIMO-OTA中，地理信道模型通常被用來進行信道建模，因為它包含寬帶無線通信技術必要的空間和時間方面的多徑衰落特性。這些無線信道由不同的信號分量組成，它們和暗室一起工作就產生了OTA的測試場景。這其中包含窄角度擴展的多徑信號（從散射體過來的信號），它們被給定了入射角和時延。多條徑組成了一個有時延分布的頻選通道。為了實現評估MIMO-OTA技術的目的，COST2100標準組織選擇了SCME (Extended Spatial Channel Model) 信道模型作為研究和分析的對象。

思博倫在3GPP TSG組的會議中提出了3-Component 模型用于MIMO-OTA測試。這個3-Component模型提案減少了暗室的復雜度，它在暗室中只需要布置6個天線的位置，即可實現應用不同的信道模型進行MIMO-OTA的測試，它包含：

●4 條被精確定義的SCME 35? 窄角度擴展徑，每條徑有不同的入射角。

●許多寬角度擴展徑通過4，5，6三根天線分布，產生一些較弱的信號。

●天線可以是單極化或者雙極化天線，可以導入預先定義的基站元素的相關性。

基于此方案，使用有限的天線數目加上預先衰落的不同時延的信號進入不同天線，我們可以實現很多不同的空間信道衰落情況?？梢灶A計，通過此方案，在考慮實際的簡化暗室OTA測試設計的同時，它仍能給出一系列信道模型下具有實際意義的OTA測試結果。

如圖6所示，需要產生依其定義的信號來完成OTA測試。然而，根本不需要使用20個獨立的天線組成來產生這樣分布的一個信號。通過定義不同的入射角和相對功率，可以大大減少信號組成，依然能獲得通過20條35? 角度擴展內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（其實不管分量的數目多少，通過時延的分布，功率的調整，總能得到盡量接近的特定方向角的信道條件來實現OTA的測試)。

圖6 3-Component Power Weighted Rayleigh Faded Signal

圖7闡述了怎么把多徑信號映射到不同天線輸出，然后應用于OTA測試的過程。為了仿真一個特定方向角擴展的場景，OTA天線在暗室中以54.49? 的間隔分布，6根天線大致完成了整個圓圈的覆蓋。被預先衰落的信號分量然后被輸入到各個天線口，每3根天線被組合，產生不同時延的多徑分量——而這對應了 SCM信道模型中的不同徑都有分量是從同一根天線發(fā)出來的。

圖7 把多徑映射到天線

在這個例子中，由于對稱的關系，多徑的平均入射角是3天線組的中間一根天線的入射角。使用有限數目的天線（每兩根天線之間夾角為54.49?），總共有4個入射角方向的信號可以被量化（見圖8）。如果放入更多的天線，則可以得到更多入射角方向的信號，當然在保證測試結果的前提下，天線數當然是越小越好。該實現從每根天線都有信道仿真后的信號分量發(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模型。

圖8 6天線配置的實現

圖9描述了思博倫3-Component MIMO-OTA測試解決方案的設備及連線情況。

圖9 思博倫3-Component MIMO-OTA測試解決方案

思博倫的3-Component提案和理想的仿真如20正弦情況相比，根據我們的仿真結果來看，3-Component和理想情況非常接近。下面是一些分析結果（見圖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

利用思博倫的這個提案，設計同時滿足COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA測試解決方案是可行的。通過選擇天線的數目和位置，選擇合適的空間信道場景，在同一個暗室中，可以建造同時兼容COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA測試規(guī)范。當然，滿足兩者要求的暗室需要另外討論。

基于以上討論，思博倫認為MIMO-OTA技術：

●不同的MIMO-OTA技術有不同的優(yōu)缺點。
●對于MIMO終端的真實性能（真實空口測試）是MIMO-OTA測試的基本目標。
●可重復性、可控制性和真實外場測試結果更接近是主要的考慮目標。
●思博倫提案了3-Component模型可以精確地匹配窄角度擴展并很好地匹配空間信道模型SCME進行測試。
●常用的N-component 模型可以仿真任意入射角，同時也不會犧牲精確度。