多天線終端測(cè)試方法的演進(jìn)、理論與實(shí)踐

　　2、MIMO OTA測(cè)試方法簡(jiǎn)介

　　2.1、MIMO OTA 各測(cè)試方案簡(jiǎn)介

　　在3GPP 37.977[15] 當(dāng)中，有許多備選的MIMO OTA 測(cè)試方案，這些備選方案可以歸結(jié)為4 類，分別由不同的公司主導(dǎo)或支持，本小節(jié)簡(jiǎn)要介紹37.977 中提到的這些方案的構(gòu)建方法，并引用了其中的部分圖例(在2013 年11 月3GPP 的一次會(huì)議當(dāng)中，由R&S 主導(dǎo)的分解法暫時(shí)未被列入37.977 正文)。

　　2.1.1、基于多探頭(Multi-Probes)的測(cè)試方案

　　這種測(cè)試方法利用暗室(AC，Anechoic Chamber)消除電波的無用反射，基站模擬器(BaseStation Emulator)的信號(hào)通過信道仿真器(CE，Channel Emulator，有時(shí)也被稱為衰落模擬器Fading Emulator)經(jīng)歷預(yù)定義的信道模型后，通過若干對(duì)準(zhǔn)被測(cè)物(DUT，Device Under Test)中心的雙極化天線(即多探頭)，經(jīng)空間輻射傳播到DUT，使之經(jīng)歷所需要的信道衰落，觀察并記錄其吞吐量表現(xiàn)。其中一個(gè)典型的實(shí)現(xiàn)方式如圖4 所示。

　　圖4、暗室中基于多探頭的測(cè)試方案

　　目前，雖然有很多公司都生產(chǎn)、設(shè)計(jì)信道仿真器，但全球只有英國(guó)Anite 及美國(guó)Spirent 公司提供的信道仿真器可以支持本方法描述的MIMO OTA 測(cè)試，他們完成了信道模型的重建及暗室內(nèi)通過多探頭系統(tǒng)進(jìn)行的空間域信息的重構(gòu)，因此可以說，在這個(gè)方法當(dāng)中，信道仿真器成為了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心。而諸如法國(guó)SATIMO 及美國(guó)ETS-Lingen 公司則對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)提供了軟件支持及系統(tǒng)集成服務(wù)——他們依靠在傳統(tǒng)OTA 認(rèn)證測(cè)試中建立的技術(shù)及系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，很早就預(yù)見并啟動(dòng)了MIMO OTA 的研發(fā)工作，但只有當(dāng)信道仿真器在技術(shù)上取得突破之后，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建才變得清晰起來;同時(shí)，在各國(guó)也有一些支持該方案的本地系統(tǒng)集成商，如日本Microwave Factory，韓國(guó)MTG，國(guó)內(nèi)HWA-TECH 等。系統(tǒng)集成商一般將完成暗室、多探頭天線、功率放大器、射頻線纜、射頻開關(guān)及測(cè)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)施，與信道仿真器協(xié)同工作，此外，系統(tǒng)集成商還應(yīng)當(dāng)提供系統(tǒng)校準(zhǔn)與最終系統(tǒng)的信道驗(yàn)證服務(wù)等。

　　多探頭方案需要在整個(gè)球面(3D，3 維信道模型)或水平面(2D，2 維信道模型)建立多個(gè)探頭以模擬各個(gè)方向(簇)的信號(hào)到達(dá)角及其角度擴(kuò)展;如果要實(shí)現(xiàn)3D 信道模型，需模擬垂直方向上的信號(hào)到達(dá)角及其角度擴(kuò)展，系統(tǒng)則更加復(fù)雜，同時(shí)每個(gè)雙極化探頭需要連接兩個(gè)獨(dú)立的信道仿真器物理通道，這意味著多探頭系統(tǒng)的成本將顯著高于其他方案，而實(shí)踐證明其校準(zhǔn)和測(cè)試復(fù)雜性也同樣高于其他方案。在帶來昂貴與復(fù)雜性的同時(shí)，多探頭的優(yōu)點(diǎn)也同樣顯而易見的，這種方法理論上能夠完全可控地再現(xiàn)信道模型，其信道驗(yàn)證結(jié)果也證明了數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)，這個(gè)測(cè)試方法未來將可能升級(jí)發(fā)展成為真正的虛擬路程(VDT，Virtual Drive Test)：將終端經(jīng)歷的外場(chǎng)環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室里可控地再現(xiàn)，不僅僅是認(rèn)證測(cè)試的需要，同時(shí)是芯片、終端研發(fā)人員改善新技術(shù)、新算法的必由之路。

　　后文將主要討論基于多探頭的方法技術(shù)細(xì)節(jié)，并介紹廣播電視規(guī)劃院所開展的研究工作。

　　2.1.2、基于兩步法(2-Stage)的測(cè)試方案

　　兩步法最早由美國(guó)安捷倫(Agilent)公司的中國(guó)實(shí)驗(yàn)室提出，并一直不斷堅(jiān)持并完善著他們最初的設(shè)計(jì)理念。所謂兩步法，意思是在第一步當(dāng)中通過某種方法，獲取到終端的天線方向圖，在第二步當(dāng)中將獲取得到的天線方向圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入基帶信道仿真器當(dāng)中，然后對(duì)DUT 進(jìn)行傳導(dǎo)測(cè)試，以便考量其基帶芯片及天線的整體性能，其典型實(shí)現(xiàn)如圖5 所示。

　　圖5、基于兩步法的測(cè)試方案(美國(guó)安捷倫公司)

　　從理論上說，兩步法與多探頭方法是類似的，都是將DUT 置于模擬的幾何信道模型當(dāng)中，這些信道模型可以是來源于標(biāo)準(zhǔn)模型，也可以是自定義的，只不過多探頭方法是通過構(gòu)建物理暗室及多探頭，用信道仿真器在實(shí)際空間中重現(xiàn)信道模型，而兩步法則是將測(cè)得的天線方向圖放進(jìn)基帶信道模擬器當(dāng)中通過軟件仿真的方法對(duì)DUT 施加衰落影響。

　　目前，全球只有美國(guó)Agilent 公司在主推這種測(cè)試方法，圖4 暗室中基于多探頭的測(cè)試方案并得到了美國(guó)高通公司的支持——在兩步法中，通過芯片獲取天線的方向圖是至關(guān)重要的一步，因此該方法目前要求芯片必須提供這種測(cè)試模式。相比于多探頭的方法，兩步法的好處是不需要另外構(gòu)建多探頭系統(tǒng)，相對(duì)地降低了投資成本和測(cè)試時(shí)間成本。然而這種方法通常會(huì)受到的質(zhì)疑是：測(cè)量一個(gè)被測(cè)件的性能結(jié)論，其一部分測(cè)試數(shù)據(jù)依賴于被測(cè)件本身內(nèi)部芯片的報(bào)告，這意味著測(cè)試者必須額外對(duì)芯片進(jìn)行置信度評(píng)估;另一方面，對(duì)于未來類似波束賦形(Beamforming)等通過實(shí)時(shí)改變天線方向圖而改善終端性能的新技術(shù)，兩步法目前暫時(shí)還無法支持。而現(xiàn)實(shí)的情況是，諸如Apple 公司2013 年新上市的無線網(wǎng)橋產(chǎn)品“Airport Time Capsule”，已經(jīng)聲明支持MIMO 中的波束賦形技術(shù)[1]。

　　2.1.3、基于混響室(RC, Reverberation Chamber) 的測(cè)試方案

　　混響室的概念與暗室正好相反，后者盡量避免信號(hào)在傳播到DUT 之前經(jīng)歷反射，而前者則通過各種方法使信號(hào)在混響室內(nèi)部盡量多地經(jīng)歷反射之后再傳達(dá)到終端，以便使DUT經(jīng)歷所謂的瑞利信道，目前至少有兩個(gè)公司在3GPP 37.977中聲稱提供了自己的實(shí)現(xiàn)方案，見圖6 及圖7。

　　圖6、基于混響室的測(cè)試方案(瑞典Bluetest 公司)

　　圖7、基于混響室的測(cè)試方案(西班牙Emite 公司)

　　Bluetest 公司的奠基人是來自瑞典Chalmers 理工大學(xué)的Per-Simon Kildal 教授，他在天線設(shè)計(jì)的過程中，很早就開始嘗試將混響室應(yīng)用于天線性能測(cè)量。他們?cè)缙趯C 測(cè)量方法于傳統(tǒng)單天線的設(shè)計(jì)，然后開始應(yīng)用于MIMO 天線，并做了很多新的定義[22][23]，最近幾年當(dāng)中Per-Simon 與他的博士生陳小明逐漸提出并完善了在混響室中進(jìn)行有源多天線終端吞吐量測(cè)試的方法，即基于RC的MIMO OTA方案[24]~[27]。類似的，西班牙Emite 公司的David Sanchez 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組同樣在天線設(shè)計(jì)的過程中使用RC 的方案進(jìn)行MIMO 天線與終端的測(cè)試，并提出了他們的一些新的思路。在這幾年國(guó)內(nèi)的客戶試用過程中，Bluetest 公司通過商業(yè)運(yùn)營(yíng)在產(chǎn)品適用性建立了不錯(cuò)的口碑。

　　無論對(duì)于無源單天線還是無源多天線，單獨(dú)使用RC 進(jìn)行天線測(cè)試一般是基于RC 自身和參考天線的效率，對(duì)于真實(shí)終端的有源測(cè)試，可以認(rèn)為RC 營(yíng)造了一種瑞利信道的條件，瑞利信道是在單天線終端時(shí)代就已提出的概念，而我們從MIMO 信道模型可以看到，寬帶的MIMO 信道模型在時(shí)域、頻域、空間域乃至極化域都有了解析，由單獨(dú)RC 建立的內(nèi)部瑞利信道既無法反映不同徑的到達(dá)時(shí)延，也無法控制不同徑的多普勒色散，更無法控制各徑的到達(dá)角，只能給出最終信號(hào)幅度服從瑞利分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型。為了解決精確描述時(shí)延特性等問題，RC 曾經(jīng)考慮使用加入吸波材料引入額外的時(shí)延，但這種方法可控制性比較差，而且由于吸波材料的引入將改變K 因子，會(huì)使得測(cè)量不確定度擴(kuò)大[27]。

　　在這種情況下，一個(gè)混響室與信道仿真器的升級(jí)方案——RC+CE——就被提出來，簡(jiǎn)單一點(diǎn)說，信號(hào)在進(jìn)入混響室之前，通過信道仿真器加入時(shí)延與多普勒頻移，用以彌補(bǔ)原單一RC方案的不足。這種方法雖然一定程度上解決了RC 在模擬信道模型中時(shí)延與多普勒時(shí)遇到的問題，但在引入信道仿真器的同時(shí)也弱化了原單一RC 在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)于角度擴(kuò)展、到達(dá)角等空間域的信息，由于混響室自身的固有條件限制，仍暫時(shí)無法描述。但正因不需描述空間信息，混響室方案的測(cè)試速度得以加快，且由于其測(cè)試過程中進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)平均，使得測(cè)試結(jié)果顯得穩(wěn)定，而與此同時(shí)混響室方案對(duì)MIMO 系統(tǒng)在空間相關(guān)性的驗(yàn)證能力，尤其是極化鑒別能力大幅下降，在美國(guó)摩托羅拉公司Istvan 做的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中RC 被證明完全無法鑒別終端的極化性能[28]。

　　2.1.4、基于分解法的測(cè)試方案

　　由德國(guó)R&S 倡導(dǎo)的分解法MIMO OTA 方案，其思想來源于德國(guó)RheinMain 大學(xué)的W. L. Schroeder 教授及其博士生馮一飛[29]。其示意圖見圖8。

　　圖8、基于分解法的測(cè)試方案(德國(guó)R&S 公司)

　　分解法曾經(jīng)被稱為兩通道法，意即在測(cè)試過程中，有兩個(gè)發(fā)射天線將基站模擬器的信號(hào)發(fā)送給DUT，DUT 在水平面旋轉(zhuǎn)，而兩個(gè)探頭在垂直面上同時(shí)動(dòng)作，他們首先遇到的一個(gè)問題在于DUT 測(cè)試位置(角度)與發(fā)射天線位置的選擇。

　　此外，R&S 的工程師聲稱此方法區(qū)別于多探頭全環(huán)法，在于“分解法是一種3D 的測(cè)試方法，而多探頭全環(huán)只做水平面2D 測(cè)試”，然而實(shí)際上，首先他們曲解了3D 信道模型的概念，另一方面，即使是分解法，在同一時(shí)刻，兩個(gè)發(fā)射天線與DUT實(shí)際上是在同一個(gè)平面之上。

　　在3GPP RAN4 的2013 年11 月一次會(huì)議當(dāng)中，該方法未被列入正文。

　　2.2、多探頭方案國(guó)際研究動(dòng)態(tài)與演進(jìn)

　　從測(cè)試方法的角度上，對(duì)于基于信道仿真器與暗室、多探頭的方案，來自各國(guó)的研究者各自獨(dú)立地上做過大量的研究：芬蘭Pekka Ky?sti 在參考文獻(xiàn)[8] 中詳細(xì)闡述了多探頭方案的原理，其中包含兩個(gè)信號(hào)合成方法：平面波合成(WFS, Wave Field Synthesis)與預(yù)衰落合成(PFS, Pre-Faded signal Synthesis);美國(guó)Spirent 公司John Douglas Reed 在參考文獻(xiàn)[30]中闡述使用MIMO OTA 的方法對(duì)空間相關(guān)性進(jìn)行重現(xiàn);丹麥Aalborg 大學(xué)Gert Pedersen 教授帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)與Intel 公司合作，自行搭建了暗室、多探頭和測(cè)試軟件，對(duì)SCME 等信道模型下LTE 終端的測(cè)試方法進(jìn)行了研究，并對(duì)多探頭方案的系統(tǒng)配置和驗(yàn)證給出了測(cè)試結(jié)果[31]~[33];美國(guó)Apple 公司Matt A.Mow 等人對(duì)終端在MIMO OTA 測(cè)試過程中與傳導(dǎo)測(cè)試中的一致性比較方法進(jìn)行研究，并申請(qǐng)了專利[34]。芬蘭原赫爾辛基大學(xué)Tommi Latinen 等對(duì)平面波合成的多探頭數(shù)量進(jìn)行了研究[35] ;日本松下公司與東京理工大學(xué)的研究證明了使用信道模擬器和多探頭的方法能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的射頻信道模型，從而利用可控的空域相關(guān)性對(duì)MIMO 信道容量進(jìn)行研究變?yōu)榭赡躘36]，他們同時(shí)也給出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及校準(zhǔn)流程的建議[37];英國(guó)Anite(前芬蘭Elektrobit)公司很早就展開了MIMO OTA測(cè)試可行性的研究，將仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果與參考模型特性進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明在大多數(shù)情況下OTA 與參考模型具有很高的一致性，證明了在暗室中可以產(chǎn)生所需的無線信道傳播特性[38]。

　　從信道模型的角度上，2000 年開始，基于射線的多天線信道模型就開始從Tap Delay Line 向Cluster Delay Line 過渡，2003 年3GPP TR 25.996 中定義了SCM，歐洲WINNER 項(xiàng)目進(jìn)一步推動(dòng)并細(xì)化了基于幾何的隨機(jī)信道模型GSCM 的發(fā)展。目前，雖然各個(gè)MIMO OTA 方案都在聲稱自己的優(yōu)越性，但一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)是，多探頭的信道模型是早于MIMO OTA方案就被工業(yè)與學(xué)術(shù)界認(rèn)可，而其他幾個(gè)測(cè)試方案一方面對(duì)于電波傳播與信道模型涉及不多，另一方面都在將自己的測(cè)試結(jié)果與多探頭系統(tǒng)看齊。

　　大約從2008 年開始，全球范圍內(nèi)有三個(gè)關(guān)注多入多出信道測(cè)試、建模以及MIMO OTA 測(cè)試的學(xué)術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化組織，分別在各自的范圍內(nèi)對(duì)以上技術(shù)和論題展開交流和討論，他們是：

　　1 . 歐洲COST (European COoperation in Science and Technology)下的COST2100 及其后繼者IC1004

　　2. 北美CTIA(Cellular Telephone Industry Association)

　　3.“ 第三代合作項(xiàng)目”(3GPP)

　　目前在COST IC1004、3GPP 和CTIA 的討論中出現(xiàn)的幾種MIMO OTA 測(cè)試方法中，筆者認(rèn)為基于信道仿真器與暗室多天線探頭的方案，能夠?qū)CM 信道模型中所定義的，MIMO 系統(tǒng)性能所依賴的角度擴(kuò)展AS(Angle Spread)，時(shí)延擴(kuò)展DS(Delay Spread) 等信息進(jìn)行控制和重現(xiàn)。其他的方案，如，混響室測(cè)試方案可以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試，但無法控制并還原角度擴(kuò)展等對(duì)多天線系統(tǒng)性能有重要影響的信息，所以只能對(duì)終端提供有限的性能評(píng)估;而兩步法可以利用原SISO 的微波暗室，減少投資，但需要被測(cè)設(shè)備能夠支持測(cè)試模式，對(duì)于未來的波束賦形等新技術(shù)目前也還無法支持;分解法不再保留原來的信道模型的概念，使用統(tǒng)計(jì)的方法估算MIMO 系統(tǒng)性能，測(cè)試數(shù)據(jù)與真實(shí)環(huán)境的對(duì)應(yīng)關(guān)系也缺乏數(shù)據(jù)的支持。

　　然而，多探頭測(cè)試方案的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)3D 信號(hào)模型，這一方面需要暗室和天線探頭數(shù)量足夠多，另一方面要求信道仿真器提供足夠的物理通道，使得多探頭的3D 方案造價(jià)昂貴，很難一步到位。一種循序漸進(jìn)的方法，是以單簇法作為一個(gè)起點(diǎn)，化整為零地建立一個(gè)可升級(jí)的多探頭系統(tǒng)。引用3GPP 37.977 中的描述，圖9(a) 描述的是多簇法，而(b) 描述的則是單簇法。

　　圖9、多探頭測(cè)試方案：多簇法與單簇法

　　簡(jiǎn)而言之，在目前廣泛使用的2D 全環(huán)法多簇測(cè)試方案中，可以考察終端在不同的信道時(shí)延特性、多普勒譜、空間相關(guān)性和交叉極化比下的性能特性，但由于信道模型限制在水平面范圍內(nèi)，所以無法描述來自垂直方向上的來波對(duì)終端性能的影響;類似的，在單簇法中，同樣可以考察終端在不同的信道時(shí)延特性、多普勒譜、空間相關(guān)性和交叉極化比下的性能評(píng)估，但由于限制在單簇范圍內(nèi)，所以無法描述來自不同簇的來波;從這個(gè)意義上說，全環(huán)法的多簇，與單簇測(cè)試方法，都是多探頭3D 方法的一種折中方案。