高效的MIMO OTA雙通道測試方法
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高質量的無線通信設備需要一個近似全向性的天線，OTA（天線性能測試）測試就是用來評估此天線的性能。如今，OTA測試是無線設備認證測試時的一個重要測試項目：在暗室環(huán)境中，得到輻射發(fā)射功率和接收靈敏度的三維方向圖。目前，標準的OTA測試都是SISO模式（單輸入/單輸出），如主流的2G，3G和WLAN的802.11a，b，g等設備，其主要的測試指標是TRP（總輻射功率）和TIS（總各向同性靈敏度），采用的標準是CTIA或3GPP系列。
而現(xiàn)在，MIMO技術得到大量的采用，目的是提高數(shù)據(jù)應用時的網絡性能。由于采用空分復用技術，分配頻譜的信道容量得以顯著提高，但是新的傳輸技術也帶來了新的測試要求。
2×2MIMO有兩路下行數(shù)據(jù)流，因而UE（用戶設備）需要兩支接收天線，為了達到最好的性能，我們希望接收天線之間的相關性盡量小，方便各自同時接收不同的數(shù)據(jù)流。為了評估整體接收天線的性能，只是分別評估每支接收天線的性能是不夠的，MIMO設備的OTA性能測試需要在以下工作機制下進行測量：
●發(fā)射分集工作模式（冗余數(shù)據(jù)流，提高接收靈敏度）。
●空分復用工作模式（多路數(shù)據(jù)流，提高吞吐量）。
LTE的調制解調器通常工作在室內?？陀^存在的多徑效應，讓它從各個角度實現(xiàn)多路接收，因此在OTA測試時，也需要對它進行全三維的分析評估，即球面的測量方法提供了與真實工作情況相似的條件。
2G和3G中SISO的OTA測試是強制的，通常我們希望原有的天線暗室就可以直接滿足SISO和MIMO的應用，也希望現(xiàn)有的SISOOTA測試系統(tǒng)可以方便地升級到MIMOOTA的測試。羅德與施瓦茨的雙通道測試法可以方便地實現(xiàn)這樣的需求。
雙通道測量法是一種檢驗MIMO設備OTA性能直接有效的方法。距離UE相同距離處，放置兩支雙極化、入射角可轉動的測試天線，分別發(fā)射不同的MIMO下行信號。各種方位角和極化方式的組合，便可得到UE天線的總體特征。如圖1所示，OTA暗室內包含4個角度定位裝置：角定位器，兩支測試天線：ANTDL1，ANTDL2，呈10°（模擬鄉(xiāng)村）或90°夾角分布（模擬城市）；以及一支通信天線：ANTUL；此外，暗室邊還有一個射頻接入板可允許5路射頻通道連接到暗室內的天線；外部設備包括基站模擬器（RSCMW500）和一個開關矩陣（RSOSP130）。
圖1 支持雙通道法的MIMO OTA測試系統(tǒng)TS8991方框圖
雙通道測試法也可以用來驗證方向圖和負載阻抗可隨環(huán)境自適應變化的智能天線。由于在測試過程中無需任何輔助射頻電纜連接到測試天線的端口，因此可以確保EUT天線的阻抗特征與實際使用情況完全一致。
3 傳導和輻射測試的結果
實際上，具有一定方向圖的接收天線模塊可看成是一個附加的相關組件，通常它會增加接收機輸入端數(shù)據(jù)流的相關性，因此會影響整個MIMO接收的性能。所以，我們希望的理想MIMO天線不會對數(shù)據(jù)流的相關性帶來任何附加的影響。
為了表征設備的整體MIMO性能，需要模擬不同的環(huán)境衰落場景，而且在每種場景中模擬出不同的方向特性?，F(xiàn)實環(huán)境中會有各種的入射角和極化場景的不同分布。要表征天線的相關性，理論上，只需選用兩個通道各自代表不同的方向角和極化方向，選取適當?shù)臏y試參數(shù)集便可完全地描述出接收天線的輻射特性。
然而，用戶設備的接收特性不只取決于天線系統(tǒng)的特性，還與本身的接收機模塊性能有關。因此，我們建議將整個MIMO測試分為兩個獨立的測量步驟：傳導測試和輻射測試。
傳導測試是3GPP強制性認證的一部分，即我們常說的衰落測試。這部分測試的目的是驗證UE接收機在通信信道參數(shù)動態(tài)變化時的性能。
而本文主要關注的是輻射測試，即雙通道法OTA測試，是用來檢驗UE接收天線的相關性。輻射測試（OTA）與傳導測試互為補充，這樣大大降低了測試的復雜度。與一套完整的多徑傳播場景系統(tǒng)相比，大大降低了測試成本。傳導和輻射測量時的基站模擬器需要設置在相同的信令狀態(tài)。
圖2顯示了4個不同的LTE調制解調器的傳導測量結果。測試采用下行2×2MIMO的開環(huán)空分復用，16QAM調制，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對下行功率的函數(shù)曲線如圖所示。此時是采用兩根射頻線纜連接BSE到UE的天線端口，得到的結果提供了此傳輸機制和BSE設置下的靈敏度性能參考值。由于兩路接收沒有耦合，因此此時達到最大的空間分極。也就是說，MIMO的吞吐量測試在傳導模式時具有最好的靈敏度，此時的接收性能只取決于UE接收機的性能。
圖2 傳導測試模式，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對下行功率的函數(shù)
由圖2可見。UE2和UE4具有最好的接收靈敏度。UE1的靈敏度差了大約4dB。UE1，UE2，UE3工作在頻帶7（2.6GHz）。UE4工作在頻帶20（800MHz）。
輻射測試模式，發(fā)射天線對在不同的空間方位角對UE進行測試，每個方位角還有4種極化方式的組合（見圖3）。平均的吞吐量（RS EPRE）是各種測試結果的線性平均。UE2利用其內置的天線；UE2 ExtAnt 則是采用兩支分開半波長正交極化的外置天線連到UE2的天線端口，這樣的布置提供了最好的MIMO天線性能，因為外置天線的布置確保了最大的空間分極和極化分極。
圖3 輻射測試模式，數(shù)據(jù)吞吐量與絕對下行功率的函數(shù)
UE4的MIMO天線性能產生了巨大的性能降低。即使它在傳導測試時達到了最好的MIMO靈敏度，但它在輻射測試時的平均吞吐量是很差的。同樣要達到最大吞吐量的一半，UE4比UE2多需要5dB的下行功率。實測結果與理論的預期是一致的：因為UE4是工作在頻帶20（800MHz），波長大約為頻帶7的3倍。但UE4與UE2的外形尺寸是一樣緊湊的，因此很難將UE4的天線設計成與UE2達到一樣的空間分極和極化分極的效果。
除了吞吐量，其它的OTA參數(shù)也可由雙通道法得出，如EIS，TIS等。MIMO的EIS（有效各項同性靈敏度）3D分布圖可由RS AMS32系統(tǒng)軟件自動生成（見圖4），此時的接收功率對應5%的誤塊率（BLER）。
圖4 UE4的MIMO EIS 3D分布圖
4 MIMO OTA測試方法的標準化進程
與OTA標準最相關的標準化實體是美國的CTIA和3GPP的RAN4。當前，多種不同的MIMO OTA測試方案進行了提交和討論。測試方法的最后確定取決于測試結果的質量（換句話說，是否可以判斷好的設計與不好的設計），也要考慮系統(tǒng)的復雜度，這與方案的投資成本是緊密相關的。此外，測試時間也是一個需要考慮的方面。歐洲的“COST行動 2100”已經奠定了MIMO OTA測試的基礎。新的“COST行動 IC1004”已于2011年夏天啟動，它將會大大推動標準化的進程。
5 結束語
為了得到MIMO OTA性能的完整描述，需要兩支發(fā)射天線在各個入射角方向對UE天線進行三維的測試，而且還需要各種極化方式的組合。傳導測試以及輻射測試相結合的分析方法，可用來判斷問題是出在無線設備的天線設計上，還是本身接收機的性能上。
雙通道測試法還可以用來檢驗多徑傳播效應（衰落）。此時，需要在MIMO OTA的TS8991測試系統(tǒng)里增加一臺帶衰落模塊的RS AMU200A基帶信號發(fā)生器，可實現(xiàn)將RS CMW500產生的下行數(shù)據(jù)流進行衰落模擬。
羅德與施瓦茨的雙通道測試法的另一大優(yōu)點是可以在原來的SISO測試系統(tǒng)基礎上方便地進行升級，只需增加第二個角度定位器控制系統(tǒng)以及第二支測試天線。大大地降低了成本，也滿足了業(yè)內客戶的需求。
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