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(jìn)項(xiàng)目）、LTE-Advanced（高級長期演進(jìn)項(xiàng)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(shí)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(jìn)的測試方法，能夠可重復(fù)地創(chuàng)建準(zhǔn)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(shí)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(jìn)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(zhǔn)的測試方案在天線設(shè)計(jì)周期和最終產(chǎn)品驗(yàn)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(xiàng)目），COST2100（歐洲科學(xué)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(dú)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(jì)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）?；祉懯覝y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(jìn)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(jì)算得到一個理論上的信道容量性能。因此，在這一點(diǎn)上，多階段方法只能獲得有限的數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究以得到準(zhǔn)確的性能指標(biāo)。nQIF0EnwlrterA/ich4ictiamft尊rii)Ane&hatechamber(multhprDberSFE|b)Rvrerteirationehsm

5、be-rQIYIulti-3itAge圖1標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)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(jìn)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(qiáng)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(shí)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(jìn)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(shí)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(yàn)，例如數(shù)據(jù)吞吐量，在真實(shí)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(jì)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(jìn)行測試，同時也能夠?qū)τ诓煌善返囊苿咏K端的性能進(jìn)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(jī)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(jìn)行分離，并分配到暗室內(nèi)的各個探頭，各自獨(dú)立地輻射進(jìn)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(jìn)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(shí)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(kuò)展、多普勒擴(kuò)展、極化，當(dāng)然還有空間參數(shù)例如到達(dá)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(diǎn)在不同被測物的基準(zhǔn)測試時是非常重要的。BPropsim由于有卓越的射頻性能將這些風(fēng)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(xì)圖2暗室方案MIMO0T測試基于幾何學(xué)的隨機(jī)信道模型用于MIMO0T測試的信道模型是基于幾何學(xué)的隨機(jī)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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(zhǔn)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(jī)、接收機(jī)以及兩者之間的多次散射的GSCM（基于幾何形狀的隨機(jī)信道模型）的環(huán)境。接收機(jī)接收到的信號是發(fā)射機(jī)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(jī)性能的主要因素。GSCM系列（基于幾何形狀的隨機(jī)信道模型）模型包括了3GPP（第三代合作伙伴項(xiàng)目）的空間信道模型（SCM），SCME（擴(kuò)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(jìn)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(shí)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(shí)際的傳播特性，尤其是AoA（到達(dá)角）和ASA（到達(dá)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(dāng)?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(kuò)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(zhǔn)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(qiáng)大，可以創(chuàng)建并且映射產(chǎn)生以幾何學(xué)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(kuò)展），WINNER（全球無線創(chuàng)新無線電），IMT-Advanee全球移動電信-先進(jìn)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(shí)性，也可以導(dǎo)入實(shí)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(kuò)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(shí)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(kuò)展性2.MIMOO信道模型3GPP（第三代合作伙伴項(xiàng)目）已批準(zhǔn)了在評估MIMO0T方法1時所使用的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)要求是：垂直極化單元陣列以中心頻率為準(zhǔn)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(dú)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(dá)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(kuò)展空間信道模型城市微蜂窩模型），并假

16、定所有到達(dá)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(xiàng)是允許到達(dá)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(zhǔn)本節(jié)將概述對第二節(jié)描述的測試系統(tǒng)進(jìn)行正確校準(zhǔn)所需要的步驟。校準(zhǔn)的目標(biāo)是對誤差的補(bǔ)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(zhǔn)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(bǔ)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(dāng)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(zhǔn)過程完成。通常使用已知增益的參考天線用來校準(zhǔn)。這個校準(zhǔn)過程必須對所有探頭的兩個極化（垂直和水平）都進(jìn)行校準(zhǔn)。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(zhǔn)天線。校準(zhǔn)時間是OTA（空口）測試的一個關(guān)鍵參數(shù)。天線設(shè)計(jì)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(zhǔn)方法的缺點(diǎn)：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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)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(jì)師和測試機(jī)構(gòu)需要一個具有良好的準(zhǔn)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?yàn)榈湫偷男阅軠y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?？紤]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(jì)算吞吐量可以大大縮減測試時間?；谛诺滥Ｐ偷慕y(tǒng)計(jì)性質(zhì)，必須找到資源塊數(shù)和信道模型統(tǒng)計(jì)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