八天線LTE的測試挑戰(zhàn)

目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)無線技術(shù)使用了幾種不同的多種輸入多路輸出(MIMO)技術(shù)。鑒于MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜性正在日益提高，因此相關(guān)的測試方法也將更具挑戰(zhàn)性。例如，當前已部署的MIMO技術(shù)利用兩具天線來改善信道性能。還有一些LTE社區(qū)已率先開始采用八天線技術(shù)來實現(xiàn)更高的性能。這些先進的技術(shù)將使測試方法的選擇變得更為至關(guān)重要。

要想找到正確的方法，必須要充分理解每一版本的LTE所使用的天線技術(shù)。例如，波束是TD-LTE的一項關(guān)鍵特性。盡管它在某些場景下是一種極具吸引力的傳輸方案(例如開放的鄉(xiāng)村地區(qū)或熱點覆蓋區(qū))，但它并不總是最佳的方法。波束賦型可以提高蜂窩中接收信號的信噪比(SNR)，從而擴大覆蓋范圍或改善蜂窩邊緣區(qū)域的用戶體驗。它還可以從空間上對信號的范圍加以限制，從而將干擾降至最低。在信噪比充足的地區(qū)，波束賦型并不能使數(shù)據(jù)速率得到提高。

通過在空間上復(fù)用并發(fā)數(shù)據(jù)流，MIMO可以在低關(guān)聯(lián)、高信噪比信道條件下提高數(shù)據(jù)吞吐量。為了優(yōu)化MIMO數(shù)據(jù)速率，TD-LTE使用包含八具天線的組件。在圖1中，有四具天線(以藍色顯示)在物理上形成了角度相同的極化，而另外四具天線(以綠色顯示)則與前面的四具天線形成了物理正交的關(guān)系。

圖1：此圖顯示的是一個TD-LTE eNodeB天線配置，可以用于優(yōu)化MIMO數(shù)據(jù)速率。

通過形成一個指向具體用戶設(shè)備(UE)的波束，這兩組四天線組件可以增強信噪比。兩個正交極化的波束能夠有效地模仿出兩個存在較低關(guān)聯(lián)天線，即使實際的空間關(guān)聯(lián)較高也沒問題。因此，這種天線配置能夠擴大覆蓋范圍，使更廣泛的高數(shù)據(jù)速率傳輸成為可能(圖2)。

圖2：一個形成正交極化波束的8×2波束賦型系統(tǒng)。

除TD-LTE外，八天線技術(shù)還可用于FDD-LTE。網(wǎng)絡(luò)運營商可以利用該天線配置來增強上行鏈路的接收效果，解決低功率用戶設(shè)備鏈路預(yù)算限制的問題。3GPP的RAN1工作組正在積極討論八天線技術(shù)在LTE-A的實用化部署。

在傳統(tǒng)的性能測試中，天線模式，即一個天線陣列在每個方向上的信號增益，通常都會被忽視。這部分是因為，在傳統(tǒng)的單路輸入單路輸出(SISO)系統(tǒng)進行的測試中，人們往往會假設(shè)天線都是全向的。但對于多數(shù)基站來說，事實并非如此。信號強度的方向性在MIMO空間信道中發(fā)揮著重要的作用，而在波束賦型應(yīng)用中的作用則更為關(guān)鍵。因此，在測試八天線系統(tǒng)時，認真考慮天線的模式將是至關(guān)重要的。

為了發(fā)揮八天線陣列的全部優(yōu)勢，LTE和LTE-A系統(tǒng)會使用雙層波束賦型，以及干擾抑制和合并(IRC)等接收機技術(shù)。使用IRC技術(shù)時，eNodeB基礎(chǔ)接收機站(BTS)使用從多種用戶設(shè)備收集到信息(通常是各噪音源之間的交叉共變)，從而以智能化的方式對噪音加以抑制。這類方案會增加MIMO信道仿真的復(fù)雜性。此外，它們還會帶來如下的測試挑戰(zhàn)：

信道的數(shù)量：要想對一個波束賦型系統(tǒng)進行測試，就必須建立起MIMO信道。在TD-LTE中，上行和下行鏈路在特性上是相同的。在FD-LTE中，信道的關(guān)聯(lián)程度可能較高或較低 – 這要依頻率間隔或所觀察到的(Rayleigh衰減、陰影衰減等)衰減水平等因素的而定。在實驗室中為測試用途而創(chuàng)建的任何RF信道必須將這些細節(jié)考慮在內(nèi)。

對于八天線系統(tǒng)來說，此類測試很明顯將涉及大量的RF信道。例如，一個8x2雙向MIMO信道就需要16個RF信道。在許多實驗室中，空間RF都是一個重要的因素。因此，提供這一能力可以大幅度增強能力，同時又不會導(dǎo)致測試平臺的規(guī)模出現(xiàn)不成比例的異常增長。

此外，要想實現(xiàn)信道互易性，就要求對8x2雙向MIMO測試系統(tǒng)進行相位校準，只有校準后才能對系統(tǒng)的波束賦型能力進行測試。有效的相位調(diào)整和信道校準都是實現(xiàn)可靠和高效測試的關(guān)鍵因素。信道數(shù)量的這種增加還要求更RF硬件更密集地集成到系統(tǒng)中。如果不能有效集成，在有大量外側(cè)分離器、合并器和循環(huán)器等設(shè)備的條件下，精確和可靠地實現(xiàn)RF信道幾乎會成為一項不可能完成的任務(wù)。

先進的信道建模：由于八天線LTE系統(tǒng)使用了先進的天線技術(shù)，測試中所用的建模信道必須重現(xiàn)這些技術(shù)中所用信道的實際物理特性。如果在仿真結(jié)果中不能將所有的細節(jié)都囊括在內(nèi)，則有可能建立不正確的基準，從而無法對真正的系統(tǒng)性能進行評價。例如，極化會影響用戶設(shè)備接收到的信號功率。與無極化的案例相比，接收到的信號功率明顯較低。這種由于極化直接造成的損失取決于用戶設(shè)備與eNodeB天線陣列之間的相對方向。

天線模式也對信號強度有直接的影響。接收信號的功率會隨信號行進方向的不同而有所變化。由于每種可能的場景都有一系列獨特的離去角(AoD)，因此功率也會隨方向的不同而有所變化。當天線模式和極化結(jié)合在一起時，這個問題會變得更難應(yīng)付。下表顯示的雙信道場景下不同組合造成的功率損失。表中的“X”代表一個交叉極化天線對，而豎線(||)代表的是無極化的天線組件。

表：極化和天線模式對接收功率產(chǎn)生的影響。

動態(tài)場景：對于一種波束賦型系統(tǒng)而言，僅在靜態(tài)(非移動)條件下進行測試是遠遠不夠的。波束賦型基本上包含兩個步驟：估計用戶設(shè)備的方向，以及將波束指向該方向。當用戶設(shè)備移動時，它(相對于eNodeB天線陣列)的方向也會改變。在理解系統(tǒng)性能的過程中，這種現(xiàn)象會帶來兩個基本的問題：系統(tǒng)跟蹤用戶設(shè)備移動的速度有多快，以及系統(tǒng)的性能會因此受到怎樣的影響？為了解答這些問題，我們必須使用能夠代表實際運行條件的動態(tài)場景來對波束賦型系統(tǒng)進行測試。

測試方法

鑒于前文中所討論過的原因，行之有效的測試方法必須能夠應(yīng)對所描述的這些挑戰(zhàn)：通過便攜機體尺寸提供數(shù)量較大的互易性RF信道、考慮到天線模式和極化的信道建模，以及在動態(tài)(活動)場景中測試波束賦型的能力。雙向8×N系統(tǒng)測試所需的信道數(shù)量會帶來前所未有的挑戰(zhàn)。圖3顯示的是8x2雙向測試所用的現(xiàn)代系統(tǒng)圖示。傳統(tǒng)的信道仿真器可能占用一個40U機架，并且需要大量的外部RF硬件才能實現(xiàn)相同的信道場景。

圖3：本圖示顯示的是8×2 MIMO波束賦型測試的信道仿真。

隨著技術(shù)的進步，對測試系統(tǒng)的要求只會變得越來越具挑戰(zhàn)性，而且會變得越來越苛刻。實例之一就是雙層波束賦型應(yīng)用，其中包含兩個從不同物理位置與同一eNodeB BTS通話的用戶設(shè)備。所需的測試拓撲結(jié)構(gòu)中包含一個8×4雙向MIMO信道(也就是包含32個數(shù)字信道的16個RF信道)。另外一個實例就是IRC。要想對IRC進行測試，需要eNodeB BTS，即本測試案例中的被測設(shè)備(DUT)，從一個“預(yù)期”的用戶設(shè)備和多個起干擾作用的用戶設(shè)備接收信號，而且測試中還會考慮到衰減的效應(yīng)。

隨著新技術(shù)的開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)在高天線數(shù)MIMO系統(tǒng)中的部署，未來還會出現(xiàn)一些極具挑戰(zhàn)性的測試場景。例如，多用戶MIMO(MU-MIMO)并非什么新的測試。但在LTE的MIMO用戶設(shè)備條件下進行的此類測試則會帶來一些重大的挑戰(zhàn)，因為有多種復(fù)雜的技術(shù)都以“分層”的方式層疊在一起。在MU-MIMO中，系統(tǒng)會使用信號處理來發(fā)揮多用戶設(shè)備之間的空間差異特性。另外一個實例是LTE-A中的協(xié)同多點(CoMP)傳輸。當用戶設(shè)備連接至多個eNodeB BTS時(通常在重疊的蜂窩邊緣處)，該技術(shù)會對網(wǎng)絡(luò)冗余加以利用。

圖4顯示的是測試雙層波束賦型、MU-MIMO和集成雙向MIMO信道的CoMP時的典型袖珍設(shè)置。集成式解決方案的信道密度所發(fā)揮的作用遠不止于在有限的實驗室空間中應(yīng)對大量RF信道的挑戰(zhàn)。在相信校準和穩(wěn)定性方面，它也是一種穩(wěn)定得多的平臺。

圖4：這種小巧的測試設(shè)置可應(yīng)對雙層波束賦型、MU-MIMO和CoMP測試場景。

幾何信道模型

當需要對LTE和LTE-A系統(tǒng)的先進天線技術(shù)進行測試時，基于關(guān)聯(lián)的傳統(tǒng)MIMO信道建模就已經(jīng)無法勝任了。這種傳統(tǒng)的建模方法無法捕獲MIMO信道的空間特性或前文所討論過的先進天線技術(shù)的效果。

多數(shù)基于關(guān)聯(lián)的MIMO信道建模都建立在一項假設(shè)的基礎(chǔ)之上，即信號離開發(fā)射天線時是全方向的，而且以同樣的方式到達接收天線。4但在MIMO波束賦型中，實際情況并非如此。

為解決這一問題，研究人員們提出了一種全新的信道建模方法，即所謂的幾何信道建模(GCM)。在GCM中，從發(fā)射天線到接收天線的每條信號路徑都從幾何上受到追蹤，并且合并在一起而形成了信道。這種方法從本質(zhì)上為天線模式和極化提供了支持。由于具體了這些特質(zhì)，GCM已被選定對下一代無線技術(shù)進行評估。

實時衰減

實時衰減方法可以實時生成信道數(shù)據(jù)，而不是預(yù)先計算出的數(shù)據(jù)，同時還可以從緩存存儲內(nèi)容中對其加以回放。推動實時衰減有兩項主要的動力：創(chuàng)建真正的動態(tài)場景并且實現(xiàn)試驗和查錯式的研發(fā)故障查找。在動態(tài)或移動場景中，信道參數(shù)會隨時間而改變。實時衰減使測試人員可對信道參數(shù)編制腳本，從而對信道的動態(tài)加以模仿。利用實時衰減引擎，為波束賦型測試創(chuàng)建不同類型用戶設(shè)備移動的工作將會變得非常簡潔而直觀。

在研發(fā)測試中，需要具備控制信道來實現(xiàn)故障查找的靈活能力。利用幾何信道建模和實時衰減能力，工程師能夠?qū)σ豁椈蚨囗椥诺绤?shù)進行調(diào)節(jié)，并且立即獲得響應(yīng)。這種“實驗和查錯式的故障查找”方法在產(chǎn)品開發(fā)中是通用的，而且已經(jīng)廣泛用于各類系統(tǒng)測試中。

由于整個行業(yè)都在為實現(xiàn)更新的無線應(yīng)用而追求更高的數(shù)據(jù)速率，所用的天線數(shù)量和先進天線技術(shù)的復(fù)雜性都必然會與日俱增。這種趨勢將對包含先進天線技術(shù)的LTE和LTE-A測試構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)。因此，新的方法和新的測試場景思維方式都將是不可或缺的。

八天線系統(tǒng)可以將2x2 MIMO系統(tǒng)所用的信道數(shù)量提高至原有水平的四倍。但研究人員已經(jīng)開始探討天線組件數(shù)量為2x2系統(tǒng)的8倍的技術(shù)。如果在實驗室中重現(xiàn)互易式高天線數(shù)測試場景，將會面臨空間和其它資源方面諸多的嚴重制約。與傳統(tǒng)的信道建模相比，新興的先進天線技術(shù)也會帶來新的挑戰(zhàn)。當測試人員需要完整理解系統(tǒng)的性能時，在動態(tài)場景中對系統(tǒng)進行測試是必不可少的。

能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的有效測試方法必須使用可支持各種先進天線技術(shù)的幾何信道建模。它還必須能夠以實時方式運行動態(tài)場景。最后，這種測試方法還必須能夠可靠、高效地創(chuàng)建八天線系統(tǒng)中雙向MIMO信道的所有細節(jié)，而且必須在小巧便攜的設(shè)備規(guī)格內(nèi)實現(xiàn)所有這些功能。