快速準(zhǔn)確的仿真多天線環(huán)境方案

引言

本文在介紹CATR聯(lián)合CMCC進(jìn)行的TD-LTE實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的基礎(chǔ)上，著重介紹復(fù)雜信道模型的模擬。思博倫新一代信道模擬器VR5-HD充分考慮了目前和未來的需求，支持所有TD-LTE，及LTE-A的測(cè)試，真實(shí)的模擬無線信道環(huán)境，使用方便，連接簡(jiǎn)單，重點(diǎn)介紹其對(duì)本次測(cè)試的支持情況。

TD-LTE多天線測(cè)試

1.1 MIMO and beamforming

MIMO，即多輸入多輸出，因?yàn)榭梢猿杀兜奶岣呦到y(tǒng)容量，成為LTE的指定技術(shù)之一。另一方面，TD-LTE具有天然的上下行信道對(duì)稱性，可以利用多天線來實(shí)現(xiàn)beamforming，從而提高增益，降低干擾。事實(shí)上，在TDD的3G階段，TD-SCDMA即充分利用上下行信道的對(duì)稱性實(shí)現(xiàn)beamforming。TD-LTE創(chuàng)新的提出了雙流beamforming，即MIMO+beamforming技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)提高容量和降低干擾提高增益，是TD-LTE的最顯著的特點(diǎn)。

上下行信道對(duì)稱性又叫信道互易性，在測(cè)試beamforming時(shí)，必須滿足天線的互易性。

天線

TD-LTE基站有兩種天線配置，一種是兩天線，即2*2MIMO，該配置只使用MIMO技術(shù)，不使用beamforming技術(shù)，主要應(yīng)用在室內(nèi)及微蜂窩場(chǎng)景；另一種是8 天線，即8*2MIMO，該配置將8天線分為兩組，每組包括4天線，組內(nèi)使用beamforming，組間使用MIMO發(fā)送雙流。這就是雙流 beamforming。8天線配置是將來的主要方向，也是我們測(cè)試的主要內(nèi)容。

8天線帶來一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)樘炀€各天線平行放置，且有一定的間隔，使得天線的尺寸較大，不易于工程使用。所以從3G開始，都使用+-45°的雙極化天線，尺寸約縮小了一半，大大增強(qiáng)了實(shí)際可用性。同時(shí)，雙極化天線因?yàn)閮山M天線的相關(guān)性天然降低，有利于提高M(jìn)IMO容量。

圖1 TD-LTE應(yīng)用的雙極化8天線

CMCC還要求使用方向性天線，進(jìn)一步提高天線覆蓋的效率。

在模擬無線信道環(huán)境時(shí)，必須模擬天線的極化及方向性，否則造成信道模型及輸出功率不正確。

多天線無線信道環(huán)境仿真

因?yàn)榭煽匦浴⒖芍貜?fù)性、可對(duì)比等特征，實(shí)驗(yàn)室評(píng)估測(cè)試越來越受到重視，有著實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試不可替代的優(yōu)點(diǎn)，成為在外場(chǎng)驗(yàn)證之前必不可少的關(guān)鍵一步。那么在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)的無線環(huán)境就成為一個(gè)課題，即如何在實(shí)驗(yàn)室真實(shí)、快速的仿真無線信道環(huán)境，從而在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)造完整的測(cè)試環(huán)境，驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或終端。

TD-LTE要求8通道的互易信道，對(duì)系統(tǒng)集成度提出了更高要求；多天線技術(shù)特有的信道模型均要求更優(yōu)的信道模擬器的可靠性和真實(shí)性；同時(shí)由于測(cè)試復(fù)雜，周期長，希望使用方便，實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)仿真。

思博倫作為90年代即推出信道模擬器的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不僅提供經(jīng)濟(jì)的方案，最新一代高集成度信道模擬器提供了最領(lǐng)先且易用的方案?？蓪?shí)時(shí)模擬所有要求的信道模型，內(nèi)置功率計(jì)，方便的GUI，簡(jiǎn)單的連接，從而快速準(zhǔn)確的進(jìn)行測(cè)試。

TD-LTE研發(fā)技術(shù)試驗(yàn)的要求

研發(fā)技術(shù)試驗(yàn)包括兩類測(cè)試。一類是上行解調(diào)測(cè)試，主要是驗(yàn)證基站在指定的信道環(huán)境下接收機(jī)的解調(diào)性能，要求得到在不同吞吐量下的信噪比，對(duì)接收機(jī)性能做出評(píng)估和比對(duì)。

圖2 上行解調(diào)測(cè)試結(jié)構(gòu)圖-SR5500M

另一類是雙向測(cè)試，主要驗(yàn)證MIMO，MIMO加beamforming的在不同信道環(huán)境下雙向測(cè)試，要求畫出吞吐量與信噪比的曲線，對(duì)整體性能做出評(píng)估和比對(duì)。

圖3 雙向8*2測(cè)試結(jié)構(gòu)圖-VR5-HD

從以上測(cè)試要求可以看到，信道衰落環(huán)境仿真起著至關(guān)重要的作用，要求信道模型真實(shí)，噪聲電平、輸出功率等精確易控，設(shè)備可靠，同時(shí)因?yàn)榄h(huán)境復(fù)雜，要求信道模擬器連接盡量簡(jiǎn)單，操作方便，測(cè)試效率高等。

2.1 硬件基本要求

在上行解調(diào)的測(cè)試中，要求單向8通道的測(cè)試能力，無需外部設(shè)備或衰減器。

在雙向測(cè)試中，要求雙向8通道的測(cè)試能力，無需外部設(shè)備或衰減器，相位校準(zhǔn)方便、精度高、校準(zhǔn)周期盡量長等。

輸入輸出應(yīng)具備實(shí)時(shí)功率計(jì)，并支持實(shí)時(shí)的脈沖模式測(cè)量以滿足TD-LTE的要求，實(shí)時(shí)觀察各端口功率。

儀表具有良好的可靠性，各端口具備過載功率保護(hù)措施，不易損壞。

儀表的維修和校準(zhǔn)應(yīng)該在本地，在出現(xiàn)異常情況能快速處理并恢復(fù)。

功能要求

支持所有信道模型：支持基于幾何地理的SCME模型和IMT-A M.2135規(guī)定的信道模型。

信道模型必須是基于幾何地理方法的，不能用基于相關(guān)矩陣的信道模型來近似。

支持天線極化和天線方向性的設(shè)置。

儀表的功率精確，保證輸出的信噪比精確，對(duì)測(cè)試結(jié)果的評(píng)估至關(guān)重要。

儀表具備較高的動(dòng)態(tài)范圍，測(cè)試要求的信噪比及噪聲功率需要覆蓋非常寬的范圍，要求儀表的動(dòng)態(tài)范圍盡可能大，這樣保證可以滿足最低和最高的功率要求，找到設(shè)備的臨界點(diǎn)。

思博倫先進(jìn)信道模擬解決方案

3.1 思博倫簡(jiǎn)介

思博倫通信的無線通信測(cè)試系列產(chǎn)品能夠?yàn)?G、2.5G、3G、4G移動(dòng)通信系統(tǒng)和WLAN/WiMAX系統(tǒng)提供目前最先進(jìn)的和最精確的測(cè)試解決方案，它貫穿了產(chǎn)品的研發(fā)、系統(tǒng)性能測(cè)試、質(zhì)量保證、生產(chǎn)測(cè)試、產(chǎn)品評(píng)估、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、一致性測(cè)試及入網(wǎng)認(rèn)證的整個(gè)過程。思博倫無線信道仿真器作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已有20年的歷史，見下圖的演變：

圖4 思博倫無線信道仿真器系列

SR5500/SR5500M是使用最廣泛的信道仿真器。 SR5500-M提供了對(duì)LTE/WIMAX等技術(shù)對(duì)于MIMO，SCME/IMT-A M.2135等空間信道模型等新技術(shù)的支持。SR5500M提供模塊化、靈活的測(cè)試配置（單模塊提供2個(gè)物理射頻通道、4內(nèi)部通道、96條徑），既滿足多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目同時(shí)進(jìn)行的需要，也能組合起來滿足大規(guī)模測(cè)試的需要。

思博倫新一代的信道模擬器產(chǎn)品平臺(tái)VR5-HD，充分考慮到B3G, 4G的測(cè)試需求，在多個(gè)方面的指標(biāo)上進(jìn)行了大的提升。比如更易于使用和場(chǎng)景創(chuàng)建（天然雙向連接和GUI設(shè)計(jì)的配合，觸摸屏和外部電腦控制等），支持更高的帶寬(100M)，更廣的頻段覆蓋(400M~6G)，在一臺(tái)設(shè)備里支持更多的信道數(shù)目（最大到8*4MIMO，同時(shí)也繼承了SR5500M的模塊化和可級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)思路），支持未來的LTE-A的測(cè)試需求（如載波聚合）等。

新一代平臺(tái)：VR5-HD

VR5-HD可以支持各種多通道配置的MIMO及波束成型測(cè)試。支持所有的3GPP一致性測(cè)試信道模型，支持基于幾何地理的信道模型，如SCME，IMT-A M.2135等。并可自定義任何信道模型。

和SR5500相同，VR5-HD為實(shí)時(shí)信道模擬器，實(shí)時(shí)信道模擬意味著具備超長的隨機(jī)序列，最真實(shí)的仿真真實(shí)場(chǎng)景，同時(shí)實(shí)時(shí)修改參數(shù)，給測(cè)試帶來了極大方便，無需重新編輯、編譯、修改等繁瑣、易出錯(cuò)的過程，只需在GUI中修改、編輯參數(shù)，回車即可完成所有測(cè)試。

VR5-HD的主控軟件界面如下圖，可設(shè)置：

接收機(jī)和發(fā)射機(jī)連線拓?fù)鋱D

雙向連接時(shí)靈和配置端口，方便連接

多徑環(huán)境的所有參數(shù)

輸出功率及輸出的載噪比等

圖5 VR5-HD圖形用戶界面

VR5-HD的基本測(cè)試能力

對(duì)于單臺(tái)VR5-HD，可以支持以下各種配置情況下的MIMO測(cè)試：

圖6 VR5-HD靈活的MIMO配置

用思博倫儀表完成測(cè)試

實(shí)時(shí)信道模擬器，真實(shí)的仿真信道場(chǎng)景；實(shí)時(shí)修改參數(shù)，測(cè)試效率大為提高；強(qiáng)大GUI，精確的信號(hào)和噪聲功率，可信的測(cè)試結(jié)果；連接簡(jiǎn)單，端口靈活配置，測(cè)試簡(jiǎn)單。以上特點(diǎn)使VR5-HD非常強(qiáng)大的支持無線信道仿真的需要，特別是對(duì)于TD-LTE的多天線測(cè)試，最多可達(dá)16個(gè)射頻通道，端口多，連接復(fù)雜，必須要有簡(jiǎn)單易用的連接方式，VR5-HD特有的8通道內(nèi)置雙工器無需外接任何器件即可完成雙向8通道的連接，非常簡(jiǎn)單。

3.3.1上行解調(diào)測(cè)試

上行測(cè)試需要使用單向的1*8環(huán)境，支持SCME、IMTA信道模型，基站設(shè)置為交叉極化，終端設(shè)置為垂直極化，天線具有方向性。

在每種信道模型下，通過調(diào)整信噪比獲得不同的吞吐量。

可方便的遍歷終端速度、信噪比設(shè)置等。

上行解調(diào)測(cè)試可用SR5500M或VR5，下圖是SR5500M的例子：

圖7 上行解調(diào)測(cè)試連接

信道模型為實(shí)時(shí)的SCME或IMTA M.2135模型：

圖8 SCME信道模型實(shí)時(shí)配置

3.3.2雙向8*2測(cè)試

雙向測(cè)試需要使用雙向的8*2環(huán)境，支持SCME、IMTA信道模型，基站設(shè)置為交叉極化，終端設(shè)置為垂直極化，天線具有方向性。

雙向測(cè)試必須保證上下行信道的互易性。所以開始測(cè)試前，需要執(zhí)行相位校準(zhǔn)。并保證相位校準(zhǔn)的精度。相位校準(zhǔn)的間隔應(yīng)該盡量長。VR5-HD的校準(zhǔn)精度在20M的帶寬里達(dá)到5°，請(qǐng)校準(zhǔn)周期可達(dá)到1周。大大提高了測(cè)試效率。

VR5內(nèi)置雙工器，無需添加然后外部器件即可完成雙向測(cè)試：

圖9 雙向8*2連接

圖10 雙向8*2配置

小結(jié)

TD-LTE因?yàn)楦嗟奶炀€，以及因?yàn)閎eamforming而必須同時(shí)進(jìn)行上下行的雙向測(cè)試，給實(shí)驗(yàn)室的信道模擬帶來了較大的挑戰(zhàn)。同時(shí)TD-LTE需要全新的業(yè)界最前沿的基于幾何地理的信道模型，給信道模擬器的模擬帶來了新的課題。

如何準(zhǔn)確、方便的完成如此高復(fù)雜度的仿真和測(cè)試？思博倫優(yōu)秀的工程師給出了答案，基于長達(dá)20年的積累，推出了新一代信道模擬器VR5-HD。通過本文的介紹，我們可以了解到本次測(cè)試和未來的要求以及思博倫的解決方案。