高效的MIMO OTA雙通道測試方法
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高質(zhì)量的無(wú)線(xiàn)通信設備需要一個(gè)近似全向性的天線(xiàn)，OTA（天線(xiàn)性能測試）測試就是用來(lái)評估此天線(xiàn)的性能。如今，OTA測試是無(wú)線(xiàn)設備認證測試時(shí)的一個(gè)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。
而現在，MIMO技術(shù)得到大量的采用，目的是提高數據應用時(shí)的網(wǎng)絡(luò )性能。由于采用空分復用技術(shù)，分配頻譜的信道容量得以顯著(zhù)提高，但是新的傳輸技術(shù)也帶來(lái)了新的測試要求。
2×2MIMO有兩路下行數據流，因而UE（用戶(hù)設備）需要兩支接收天線(xiàn)，為了達到最好的性能，我們希望接收天線(xiàn)之間的相關(guān)性盡量小，方便各自同時(shí)接收不同的數據流。為了評估整體接收天線(xiàn)的性能，只是分別評估每支接收天線(xiàn)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(jìn)行測量：
●發(fā)射分集工作模式（冗余數據流，提高接收靈敏度）。
●空分復用工作模式（多路數據流，提高吞吐量）。
LTE的調制解調器通常工作在室內?？陀^(guān)存在的多徑效應，讓它從各個(gè)角度實(shí)現多路接收，因此在OTA測試時(shí)，也需要對它進(jìn)行全三維的分析評估，即球面的測量方法提供了與真實(shí)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(xiàn)暗室就可以直接滿(mǎn)足SISO和MIMO的應用，也希望現有的SISOOTA測試系統可以方便地升級到MIMOOTA的測試。羅德與施瓦茨的雙通道測試法可以方便地實(shí)現這樣的需求。
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(dòng)的測試天線(xiàn)，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(xiàn)的總體特征。如圖1所示，OTA暗室內包含4個(gè)角度定位裝置：角定位器，兩支測試天線(xiàn)：ANTDL1，ANTDL2，呈10°（模擬鄉村）或90°夾角分布（模擬城市）；以及一支通信天線(xiàn)：ANTUL；此外，暗室邊還有一個(gè)射頻接入板可允許5路射頻通道連接到暗室內的天線(xiàn)；外部設備包括基站模擬器（RSCMW500）和一個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣（RSOSP130）。
圖1 支持雙通道法的MIMO OTA測試系統TS8991方框圖
雙通道測試法也可以用來(lái)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(xiàn)。由于在測試過(guò)程中無(wú)需任何輔助射頻電纜連接到測試天線(xiàn)的端口，因此可以確保EUT天線(xiàn)的阻抗特征與實(shí)際使用情況完全一致。
3 傳導和輻射測試的結果
實(shí)際上，具有一定方向圖的接收天線(xiàn)模塊可看成是一個(gè)附加的相關(guān)組件，通常它會(huì )增加接收機輸入端數據流的相關(guān)性，因此會(huì )影響整個(gè)MIMO接收的性能。所以，我們希望的理想MIMO天線(xiàn)不會(huì )對數據流的相關(guān)性帶來(lái)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(chǎng)景，而且在每種場(chǎng)景中模擬出不同的方向特性?，F實(shí)環(huán)境中會(huì )有各種的入射角和極化場(chǎng)景的不同分布。要表征天線(xiàn)的相關(guān)性，理論上，只需選用兩個(gè)通道各自代表不同的方向角和極化方向，選取適當的測試參數集便可完全地描述出接收天線(xiàn)的輻射特性。
然而，用戶(hù)設備的接收特性不只取決于天線(xiàn)系統的特性，還與本身的接收機模塊性能有關(guān)。因此，我們建議將整個(gè)MIMO測試分為兩個(gè)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(shuō)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動(dòng)態(tài)變化時(shí)的性能。
而本文主要關(guān)注的是輻射測試，即雙通道法OTA測試，是用來(lái)檢驗UE接收天線(xiàn)的相關(guān)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(chǎng)景系統相比，大大降低了測試成本。傳導和輻射測量時(shí)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(gè)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(kāi)環(huán)空分復用，16QAM調制，數據吞吐量與絕對下行功率的函數曲線(xiàn)如圖所示。此時(shí)是采用兩根射頻線(xiàn)纜連接BSE到UE的天線(xiàn)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(méi)有耦合，因此此時(shí)達到最大的空間分極。也就是說(shuō)，MIMO的吞吐量測試在傳導模式時(shí)具有最好的靈敏度，此時(shí)的接收性能只取決于UE接收機的性能。
圖2 傳導測試模式，數據吞吐量與絕對下行功率的函數
由圖2可見(jiàn)。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(xiàn)對在不同的空間方位角對UE進(jìn)行測試，每個(gè)方位角還有4種極化方式的組合（見(jiàn)圖3）。平均的吞吐量（RS EPRE）是各種測試結果的線(xiàn)性平均。UE2利用其內置的天線(xiàn)；UE2 ExtAnt 則是采用兩支分開(kāi)半波長(cháng)正交極化的外置天線(xiàn)連到UE2的天線(xiàn)端口，這樣的布置提供了最好的MIMO天線(xiàn)性能，因為外置天線(xiàn)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，數據吞吐量與絕對下行功率的函數
UE4的MIMO天線(xiàn)性能產(chǎn)生了巨大的性能降低。即使它在傳導測試時(shí)達到了最好的MIMO靈敏度，但它在輻射測試時(shí)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(shí)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(cháng)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(xiàn)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系統軟件自動(dòng)生成（見(jiàn)圖4），此時(shí)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(jìn)程
與OTA標準最相關(guān)的標準化實(shí)體是美國的CTIA和3GPP的RAN4。當前，多種不同的MIMO OTA測試方案進(jìn)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(zhì)量（換句話(huà)說(shuō)，是否可以判斷好的設計與不好的設計），也要考慮系統的復雜度，這與方案的投資成本是緊密相關(guān)的。此外，測試時(shí)間也是一個(gè)需要考慮的方面。歐洲的“COST行動(dòng) 2100”已經(jīng)奠定了MIMO OTA測試的基礎。新的“COST行動(dòng) IC1004”已于2011年夏天啟動(dòng)，它將會(huì )大大推動(dòng)標準化的進(jìn)程。
5 結束語(yǔ)
為了得到MIMO OTA性能的完整描述，需要兩支發(fā)射天線(xiàn)在各個(gè)入射角方向對UE天線(xiàn)進(jìn)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(lái)判斷問(wèn)題是出在無(wú)線(xiàn)設備的天線(xiàn)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(lái)檢驗多徑傳播效應（衰落）。此時(shí)，需要在MIMO OTA的TS8991測試系統里增加一臺帶衰落模塊的RS AMU200A基帶信號發(fā)生器，可實(shí)現將RS CMW500產(chǎn)生的下行數據流進(jìn)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(diǎn)是可以在原來(lái)的SISO測試系統基礎上方便地進(jìn)行升級，只需增加第二個(gè)角度定位器控制系統以及第二支測試天線(xiàn)。大大地降低了成本，也滿(mǎn)足了業(yè)內客戶(hù)的需求。
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