OTA(空口)測試的分集與支持MIMO的終端

1、為了滿足無線通訊系統(tǒng)對更高數(shù)據(jù)率的需求，新的無線技術(shù)都在移動終端采用了多天線技術(shù)，如LTE（長期演進項目）、LTE-Advanced（高級長期演進項目）和移動WiMAX（全球微波互聯(lián)接入）。從廣義上講，MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)涵蓋了所有的多天線技術(shù)，例如SM（空間多路技術(shù)）、BF（波束賦形）和空間分集。MIMO技術(shù)在不增加額外的帶寬和發(fā)射功率的前提下，顯著地提高了數(shù)據(jù)吞吐量、服務(wù)質(zhì)量（QoS）和小區(qū)的覆蓋范圍。MIMO技術(shù)更加充分地利用了無線傳輸信道的特征以實現(xiàn)通訊性能的提升，因此MIMO設(shè)備就更加適用于并且依賴于RF（射頻）環(huán)境。行業(yè)呼喚一種先進的測試方法，能夠可重復(fù)地創(chuàng)建準確的無線傳輸

2、環(huán)境。在MIMO系統(tǒng)中，空間相關(guān)性是一個非常重要的參數(shù)，它包含了天線以及傳輸信道兩者的特性。事實上，已知信道模型未知天線特性是無法得到相關(guān)性的，同樣地，已知天線特性未知信道模型也無法得到相關(guān)性。因此，必須同時考慮天線和傳輸信道兩者的特性才可以測試多天線終端。要了解MIMO設(shè)備的端到端的接收性能，就需要進行OTA（空口）測試。由于多天線系統(tǒng)的復(fù)雜性，一種靈活、快速精準的測試方案在天線設(shè)計周期和最終產(chǎn)品驗證周期中創(chuàng)造出至關(guān)重要的價值，最終將直接影響到產(chǎn)品上市時間。迄今為止，有三種不同的MIMO測試方案正在被無線行業(yè)中的3GPP（第三代合作項目），COST2100（歐洲科學和技術(shù)合作）和CTIA（移

3、動通信和因特網(wǎng)協(xié)會）所研究及討論。aAnechoicchamber（muli-prob基于吸波暗室的測試方案或者稱之為空間衰落模擬（SFE的測試方案。如圖1a所示，將射頻信道模擬器連接到一個圓環(huán)探頭陣列，即多探頭測試技術(shù)，從而在被測物位置可重復(fù)地模擬產(chǎn)生復(fù)雜的多徑衰落的無線環(huán)境。bReverberaionchar混beT室測試方案采用一個獨立的混響室或者是一個連接信道模擬器的混響室?；祉懯业哪康脑谟谠诒粶y物（DUT）周圍產(chǎn)生一個統(tǒng)計上的均勻功率分布,而天線和信道模擬器可用于生成所需的延遲特性（如圖1b）。混響室測試方案受限于有限的不同衰落環(huán)境的模擬能力，所以只能對終端提供有限的性能評估。cRe

4、verberaionch多b段測試方案，主要包含兩個測試階段。第一階段，在各向同性的環(huán)境下，使用傳統(tǒng)的吸波暗室為基礎(chǔ)的測試系統(tǒng)和一個綜測儀測量復(fù)雜的有源天線陣列；第二階段，通過下述兩種手段把天線陣列的信息與信道模型結(jié)合起來：1）使用信道模擬器進行傳導(dǎo)測試（圖1c），或2）利用測試地得到的天線陣列信息通過理論計算得到一個理論上的信道容量性能。因此，在這一點上，多階段方法只能獲得有限的數(shù)據(jù)，還需要進行進一步的研究以得到準確的性能指標。nQIF0EnwlrterA/ich4ictiamft尊rii)Ane&hatechamber(multhprDberSFE|b)Rvrerteirationehsm

5、be-rQIYIulti-3itAge圖1標準制定機構(gòu)提出的三種不同的MIMO測試方法SISO（單輸入單輸出）測試范疇多探頭技術(shù)在無線行業(yè)內(nèi)已經(jīng)取得了成功和信任，并且被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)有的SISO的測試范疇內(nèi)作為精確快速的單天線或分集設(shè)備的OTA（空口）測試方案。在SISO測試中，探頭是順序工作的，并依次一個一個地被選定。3維陣列測量，無論是測輻射功率或是測接收靈敏度都是在各向同性的環(huán)境中獲得的（均勻信道模型）。隨后3維陣列的數(shù)據(jù)被集成進來以獲得總輻射功率（TRP）和總各向同性接收靈敏度（TIS）。這些品質(zhì)因子（FoM）均被使用于描述終端的系統(tǒng)級性能。基于上文所述，MIMO系統(tǒng)性能強依賴于天線性

6、能和信道環(huán)境兩者，因此SISOOT（單輸入單輸出空口）的測試范疇對于多天線終端的端到端性能測試并不合適。測試范疇相對于SISO0T（單輸入單輸出空口）的多探頭的測試場，在MIMO0T（多輸入多輸出空口）中，信號是同時從設(shè)備周圍的各個方向接收到的。這種特殊的設(shè)置，配合信道模擬器，使得在被測設(shè)備位置得以實現(xiàn)復(fù)雜的空-時傳播環(huán)境的模擬2-3SATIMOStarMIM係統(tǒng)，加上Elektrobit公司的EBPropsimF信道仿真儀，給了MIMO0T測試一個清楚的解在吸波暗室進行的MIMOOTA測試提供了無需在測試步驟中連接外接電纜即可測試移動終端真實性能的可能性。MIMOOT測試可以評估最終產(chǎn)品的終

7、端用戶體驗，例如數(shù)據(jù)吞吐量，在真實的無線信道環(huán)境下，其性能會隨著環(huán)境的變化而發(fā)生巨大的變化。移動終端設(shè)計中的所有重要部件（如天線，射頻前端，基帶處理）都可以立即進行測試，同時也能夠?qū)τ诓煌善返囊苿咏K端的性能進行比較。1.空間衰落模擬技術(shù)由于無線信道在MIMO性能中起著關(guān)鍵的作用，無線信道模擬器是MIMOOT（多輸入多輸出空口）測試係統(tǒng)中的重要組成部分。如圖2中所述，一個來自發(fā)射機或基站模擬器產(chǎn)生的測試信號通過無線信道模擬器，該無線信道模擬器根據(jù)預(yù)先定義的信道模型來模擬無線信道。隨后該信號在模擬器內(nèi)部進行分離，并分配到暗室內(nèi)的各個探頭，各自獨立地輻射進入暗室。其結(jié)果是輻射的多路信號在暗室中心空

8、間合成，并在被測設(shè)備周圍產(chǎn)生所需要的無線信道環(huán)境。采用先進的無線信道模擬器，例如B公司的PropsimF8便可以在暗室內(nèi)還原真實生活環(huán)境。最典型的模擬參數(shù)包括路徑損耗、多徑衰落、時延擴展、多普勒擴展、極化，當然還有空間參數(shù)例如到達角（AoA）和角度展寬（AS）。為了從MIMO0T測試中得到有價值的結(jié)果，無線信道模擬器必須具有卓越的射頻性能。它的誤差矢量幅度（VM和內(nèi)部噪音電平必須非常低，以便最大程度減少影響測量結(jié)果的誤差。而且，為了在多次測量中得到一致的測試結(jié)果，衰落過程必須是可重復(fù)的。這點在不同被測物的基準測試時是非常重要的。BPropsim由于有卓越的射頻性能將這些風險最小化，而信道模型的

9、可重復(fù)性為100%。T離于AH*的離常細圖2暗室方案MIMO0T測試基于幾何學的隨機信道模型用于MIMO0T測試的信道模型是基于幾何學的隨機信道模型（GSCM），在該模型中無線信道由下列參數(shù)定義：發(fā)射天線的位置和陣列，傳播特性（延遲、多普勒、延遲角、到達角、發(fā)射信號角度展寬、接收信號角度展寬，和極化信息）移動速度和行進方向，接收天線的位置和陣列，以及多個大尺寸參數(shù)。這些基于測量的信道模型，包括無線信道的所有參量（時間、頻率、空間和極化）。由于空間和極化都是空間相關(guān)性的關(guān)鍵參數(shù)（MIMO性能與此強烈相關(guān)），因此這兩個參數(shù)顯得極為重要。顯然，這種方法準確且逼真地模擬了MIMO設(shè)備測試所需的環(huán)境。圖

10、3說明了對于具有發(fā)射機、接收機以及兩者之間的多次散射的GSCM（基于幾何形狀的隨機信道模型）的環(huán)境。接收機接收到的信號是發(fā)射機的發(fā)射信號通過具有空間特性的多徑環(huán)境后得到的，因此，包含接收天線特性的空間特性即成為測試接收機性能的主要因素。GSCM系列（基于幾何形狀的隨機信道模型）模型包括了3GPP（第三代合作伙伴項目）的空間信道模型（SCM），SCME（擴展空間信道模型），WINNER（全球無線創(chuàng)新無線電）和ITU（國際電信聯(lián)盟），IMT-Advanc6國際先進移動通信）的信道模型。MIMOOT信道模型的映射在MIMOOTA測試中，接收天線直接集成在被測設(shè)備上面，成為被測設(shè)備的一個組成部分因此無

11、需將其天線陣列加載于仿真的信道模型之中，其對于被測設(shè)備性能的實際影響直接可以通過測試得到。這樣，MIMOOT測試中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于要在暗室中產(chǎn)生實際的傳播特性，尤其是AoA（到達角）和ASA（到達角的角度展寬）。這種以幾何參數(shù)為基礎(chǔ)的信息，例如在SCM（空間信道模型）中，要為被測設(shè)備的天線創(chuàng)建適當?shù)南嚓P(guān)性參數(shù)。除此之外，還需要關(guān)于發(fā)射天線陣列（基站）的信息，包括陣列的幾何信息和天線場陣列，以及每個徑或者簇對于終端的速度分量或多普勒頻率分量。隨后這些集群被同時映射到相應(yīng)的OTA天線處，使得發(fā)射信號在暗室中央的空間合成結(jié)果與被定義的模型一致。該映射是由空間無線信道仿真儀完成的。為了使角度擴展更加精確

12、每個簇的信號都是由幾個OTA天線發(fā)射產(chǎn)生的。其結(jié)果是，以幾何信息為基礎(chǔ)的無線信道環(huán)境可以準確地在暗室里產(chǎn)生。圖3基于幾何地理的信道模型EBMIMOC應(yīng)用軟件功能強大，可以創(chuàng)建并且映射產(chǎn)生以幾何學為基礎(chǔ)的適用于暗室環(huán)境的信道模型。信道模型可以選擇SCM（空間信道模型），SCME（空間信道模型擴展），WINNER（全球無線創(chuàng)新無線電），IMT-Advanee全球移動電信-先進p,TGh美國電氣和電子工程師協(xié)會WiMAX無線信道模型）甚至于用戶自定義的模型均可。OTA探頭天線的數(shù)量和位置也是完全可變的。同時，為了保證發(fā)射端仿真的真實性，也可以導(dǎo)入實際基站的天線陣列于信道模型之中。除了靜態(tài)模型外，也可

13、以創(chuàng)建在線性動態(tài)變化環(huán)境里的場景。系統(tǒng)設(shè)置系統(tǒng)可支持從簡單的單簇系統(tǒng)擴展到復(fù)雜的全三維系統(tǒng)（圖4）。單簇系統(tǒng)是根據(jù)吞吐量區(qū)分終端性能優(yōu)劣的入門級解決方法。角度展寬過窄會導(dǎo)致的高相關(guān)性以及要求被測設(shè)備旋轉(zhuǎn)會顯著地影響性能結(jié)果。角度展寬較寬，這樣相關(guān)性較低，信道更易于實現(xiàn)空間多工（SM）。采用二維全圓周系統(tǒng)，所有二維信道模型（例如SCM,SCME,WINNER,IMT-Advaneed）都能被模擬。完整的三維應(yīng)用使得測試結(jié)果不僅考慮到方位角，同時也考慮到俯仰方向傳播。整個系統(tǒng)是支持升級的，從單簇系統(tǒng)到二維全圓周系統(tǒng)，甚至到全三維系統(tǒng)。OUT口YYUE丫！RJdioCtuniwErrndJlarCh

14、umborR-adigUlkannEEnniiltjrJhwciwK-CKfirrabovRadkiSkal-rKiErrHilOrJiB!*cit4Mc.CIupnbor圖4MIMOO測A試系統(tǒng)的可擴展性2.MIMOO信道模型3GPP（第三代合作伙伴項目）已批準了在評估MIMO0T方法1時所使用的標準信道模型。該模型由CDL模型和一些簡單的簇模型組成，參見表1信道模型#1模型基于SCME城市微蜂窩空間簇數(shù)6時間簇數(shù)6通用信道模型2修訂版SCME城市微蜂窩663SCME城市宏蜂窩664WIER室內(nèi)-室外1212單簇信道5SCME城市微蜂窩16模型6ExtendedPedestrian(EPA)

15、A1641均勻信道7模型8ExtendedPedestrianA1(EPA)指數(shù)衰減1仿真的基站天線的標準要求是：垂直極化單元陣列以中心頻率為準的固定4倍波長間隔，或不相關(guān)，即UE（用戶設(shè)備）與BS（基站）每個天線均為獨立產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信，無互相影響。雙極化等功率單元陣列，每個單元無相關(guān)性，且固定10倍波長間隔以及45傾斜。表2為一個信道模型示例。這里的每一個簇都有不同的延遲，以及不同的AoD（發(fā)射角）和AoA（到達角）特性。每個簇都有三條徑，具有微小的延遲以確保良好的頻率相關(guān)性和較寬的帶寬。單簇信道模型是基于SCMEUrbanMicro-cellmodel（擴展空間信道模型城市微蜂窩模型），并假

16、定所有到達角都為零度而得到的，這意味著該模型在空域只有一簇。延遲的位置與原始多簇模型相同。兩個模型的交叉極化比、傳播方向和移動速度都相同。在單簇模型中的一個選項是允許到達角的角度展寬可以設(shè)定為35或25,以便于可測不同設(shè)備的空間相關(guān)性范圍。簇#時延ns功率dBAoDAoA10510-3.0-5.2-7.06.60.2285290295-4.3-6.5-8.314.1-13.3205210215-5.7-7.9-9.750.81464660665670-7.3-9.5-11.338.4-30.5805810815-9.0-11.2-13.06.7-11.6925930935-11.4-13.6-

17、15.440.3-1.SCME城市微蜂窩215時延ns294簇的ASAoD/ASAoA5/35簇的PA形狀Laplacian全部ASAoD/ASAoA18.2/67.8移動速度m/h移動方向3.30/120XPR注：組建基于假定的基站天線9dB中期路徑共享參數(shù)：AoD,AoA,AS,XPR3系.統(tǒng)校準本節(jié)將概述對第二節(jié)描述的測試系統(tǒng)進行正確校準所需要的步驟。校準的目標是對誤差的補償確保每個探頭都有相同的幅度和相位響應(yīng)，例如探頭位置差異或者電纜個體差異引起的增益與相位誤差。校準過程包括測量每個測試通道從信道模擬器的輸入口到設(shè)備位置的總的路徑損耗，其方法是使用一個靜態(tài)的信道模型，也稱為單徑模型。對

18、于各條路徑損耗的差別的補償是通過在信道仿真儀的用戶界面（G）調(diào)整每條通道的幅度和相位的加權(quán)。當幅度和相位的調(diào)整加權(quán)值儲存在信道仿真儀的每個通道時，校準過程完成。通常使用已知增益的參考天線用來校準。這個校準過程必須對所有探頭的兩個極化（垂直和水平）都進行校準。SATIMO的電偶極子和磁偶極子天線可以分別被用作垂直和水平方向的校準天線。校準時間是OTA（空口）測試的一個關(guān)鍵參數(shù)。天線設(shè)計師和測試工程師需要一個便于使用并且設(shè)置快速的工具。以下是下圖中常規(guī)校準方法的缺點：偶極子天線是窄頻帶的偶極子是單極化的，所以對于每個需要校準的頻率，電偶極子和磁偶極子天線兩者都得使用.41CHAMBERMIWIOU

19、MMW-CJ3ibr3缶FiU蹴PteofMilinifMlWlOOTMfrniJIF圖5MIMOO測A試設(shè)備與校準設(shè)備MV-CalTM連接的設(shè)置RadKKOniiTvuiiJ&a02W-Q恥創(chuàng)I-A2劑JB7K74-12刊刷C8-M-50igihiHinslipwsrFidRni焙筒llti圖7Hset-的吞吐量和信道功率圖H-set3和H-set是與HSDPA的下行物理信道的不同的相對功率設(shè)置有關(guān)的參考3GPPTS3V121-第9部分可得到如下結(jié)論：當信道功率減少時，吞吐量下降城市微單元和城市宏單元的設(shè)備性能方面存在差異對于這兩種設(shè)備相同的是，城市宏單元的信道模型比城市微單元更具挑戰(zhàn)性。L

20、TEMIMOC測A試圖8和9分別顯示了當使用單簇和多簇OTA測試方案時，兩個LTEMIM的有設(shè)備的吞吐量與信道功率的關(guān)系曲線。華為E398和三星GT-B371皆為USBdon,le均使用相同的筆記本進行測試，并連接相同的USB端口，以避免在U（用戶設(shè)備）設(shè)置中產(chǎn)生任何差異。TdkqzB一e圖8單簇下的城市微蜂窩和城市宏蜂窩豆4也IndllEWM圖9多簇下的城市微蜂窩和城市宏蜂窩關(guān)于每條RX（下行鏈路）的分集測試曲線，可以得到如下結(jié)論:該測試方案可以區(qū)分設(shè)備性能的優(yōu)劣吞吐量隨著信道功率降低而減少對于LTE設(shè)備，城市宏單元的信道模型比城市微單元更具挑戰(zhàn)性。41信道模型對設(shè)備的性能影響很大。這可以從

21、城市微蜂窩與宏單元信道模型的吞吐量與信道功率曲線的關(guān)系觀察到。MIMO0測試系統(tǒng)能夠準確地模擬不同的無線傳播場景，這使得它可以調(diào)查不同參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。測試時間測試時間是OTA（空口）測試中的關(guān)鍵參數(shù)。天線設(shè)計師和測試機構(gòu)需要一個具有良好的準確性和相對較短的時間的測試方案。測試時間也很重要的另一個原因是因為典型的性能測試是需要通過幾個不同的信道模型測試結(jié)果下被評估的。考慮到吞吐量是作為MIMOOTA測試的品質(zhì)因子，使用較少數(shù)量的資源塊來計算吞吐量可以大大縮減測試時間?；谛诺滥Ｐ偷慕y(tǒng)計性質(zhì)，必須找到資源塊數(shù)和信道模型統(tǒng)計之間的最佳折中值。圖10顯示了在使用20000和10000個資源塊時，吞吐量與信道功率的關(guān)系的比較曲線可以看出資源塊數(shù)量從20000減少到10000的時候，雖然大大減少了測量時間，但并沒有對吞吐量與信道功率的關(guān)系曲線有顯著影響。資源塊數(shù)量從20000減少到10000，測量時間也從1小時10分鐘減少到了大約40分鐘。*24000Z2DW1KWQ1QDOT0RSEPHE(dBm/ISKHz).UMilOOOOOlMfcK+UWRd啊賓咗ki中UMa10000Btelu-圖10吞吐量和資源塊輸量41結(jié)論MIMO要考慮相關(guān)性！相關(guān)性對無線鏈路的吞吐量具有重大影響。由于相關(guān)性純粹是