多天線(xiàn)終端測試方法的演進(jìn)、理論與實(shí)踐

　　3、ABP的工作進(jìn)展

　　廣播電視規劃院(ABP)從2011 年開(kāi)始介入了多天線(xiàn)終端測試方法的研究，目前主要建立了單簇法的多探頭MIMOOTA 測試系統，不僅對各個(gè)部件做了驗證[39]，而且對整個(gè)系統的最終信道模型做了驗證，并于2013 年開(kāi)始參加了CTIA組織的比對測試[40]。本節將主要介紹這方面的內容。

　　3.1、ABP 單簇法MIMO OTA 系統

　　廣播電視規劃院的單簇法實(shí)驗室連接示意圖見(jiàn)圖10，這個(gè)方案最大的特點(diǎn)是由原來(lái)的常規單天線(xiàn)終端OTA 測試暗室(ETS AMS8600)改造而來(lái)，暗室的尺寸見(jiàn)表1。由于不需要另外搭建暗室，不僅使得系統建造的成本大幅下降，也同時(shí)免去了另建暗室尋址時(shí)的麻煩。在這個(gè)單簇法MIMO OTA 技術(shù)平臺上，包含信道驗證在內的大部分多探頭系統的基本研究得以推進(jìn)。

　　表1、ABP 暗室數據

　　圖10、廣播電視規劃院(ABP) 單簇法MIMO OTA 測試系統

　　通過(guò)特別的設計，該系統可以在MIMO OTA 與常規OTA測試之間進(jìn)行轉換，這種轉換需要2 個(gè)人花大約5~10 分鐘的時(shí)間，見(jiàn)圖11，因此系統能夠兼顧常規天線(xiàn)/ 終端OTA 測試與多天線(xiàn)終端的MIMO OTA 測試。

　　圖11、單簇法MIMO OTA 與SISO OTA 測試環(huán)境的切換

　　3.2、系統及各部件的驗證

　　3.2.1 暗室特性變化

　　如前文所述，ABP 的單簇MIMO OTA 在SISO 暗室的基礎上組建，通過(guò)在暗室內安置的天線(xiàn)支撐件，可以在短時(shí)間內進(jìn)行兩種測試模式的切換，但相比于原SISO 暗室，增加的組件可能會(huì )影響暗室的特性，因此我們依照CTIA 的要求，在兩種環(huán)境下進(jìn)行了紋波測試，分別完成了自由空間下的30cm半徑與50cm 半徑靜區在兩個(gè)頻點(diǎn)的比對，結果見(jiàn)表2 及表3。

　　表2、SISO 暗室的紋波測試比對驗證(30cm 靜區)

　　表3、SISO 暗室的紋波測試比對驗證(50cm 靜區)

　　測試結果表明擴展不確定幾乎沒(méi)有太大變化，增加天線(xiàn)支撐架后進(jìn)行SISO OTA 測試的暗室環(huán)境的擴展不確定度仍然滿(mǎn)足CTIA 小于2 的要求。

　　3.2.2、信道仿真器特性及信號漂移

　　作為核心部件，信道仿真器的特性極大地影響著(zhù)整個(gè)系圖10 廣播電視規劃院(ABP) 單簇法MIMO OTA 測試系統統的不確定度，我們需要知道信道仿真器設置及輸入信號對于輸出信號的影響程度;同時(shí)，信道仿真器作為一個(gè)有源設備，取決于內部部件的質(zhì)量，其輸出信號的幅度與相位均可能會(huì )隨環(huán)境(溫度、濕度)發(fā)生不同程度的漂移，如果漂移情況嚴重，信道仿真器將會(huì )對整個(gè)系統的不確定度產(chǎn)生影響。

　　我們在兩個(gè)工作日分別做了不同的輸入功率下，一分鐘內信號仿真器的輸出信號幅度與相位的變化測試，最?lèi)毫拥慕Y果記錄在表4 中，此外對兩個(gè)工作日的輸出信號做橫向比較，以便了解長(cháng)期情況下，其信號的漂移情況。根據測試結果，推薦的操作是：進(jìn)行MIMO OTA 測試時(shí)，應維持基站模擬器的輸入功率不變，根據信道仿真器設置，推薦輸入功率的范圍如下：

　　表4、信道仿真器的輸入設置對系統穩定性的影響

　　(EIL-20) ≤INPUT ≤(EIL+CE) (7)

　　也即輸入功率應該盡量接近期待功率(EIL)，其變化范圍最小應大于設置的期待功率20dB以上，最大則不能比設置的期待功率的峰均比(CF)更大，否則系統的不確定將增大。對于信道仿真器的信號漂移，在符合式(7)的情況下，表5 的測試結果證明信道仿真器輸出信號的幅度漂移不超過(guò)0.1dB，相位變化不超過(guò)1.5 度，因此我們可以認為信道仿真器在整個(gè)測試過(guò)程中是較為穩定的。

　　表5、信道仿真器信號漂移研究(長(cháng)期)

　　3.2.3、功率放大器特性及信號漂移

　　用于補償路徑衰減的功率放大器其通道數與信道仿真器相同，其特性同樣對整個(gè)系統的不確定度產(chǎn)生影響。通常，功率放大器需要有30 分鐘的預熱時(shí)間，在這段時(shí)間內，其輸出信號幅度可能有0.5dB~1dB 的變化，30 分鐘后輸出將趨穩，因此我們推薦整個(gè)系統的預熱時(shí)間一般在30 分鐘，之后再做所有其他的驗證或測試工作。

　　在開(kāi)始測試之前，必須獲取功率放大器的線(xiàn)性工作區間，我們對所用到的功率放大器進(jìn)行了四個(gè)頻點(diǎn)不同輸入功率的測試，其增益測試結果見(jiàn)圖12，從圖中可以看出輸入功率大于-30dBm 時(shí)將逐漸進(jìn)入1dB 壓縮點(diǎn)，因此我們所有后續工作中，將使得功率放大器的輸入功率控制在-30dBm 以下。

　　圖12、功率放大器的增益及線(xiàn)性范圍

　　功率放大器的長(cháng)期信號漂移是描述對應于實(shí)驗室在兩個(gè)工作時(shí)段，這決定了實(shí)驗室是否能夠在幾周甚至幾個(gè)月時(shí)長(cháng)內，沿用同一個(gè)校準數據。我們的摸底測試是在兩個(gè)工作日，對功率放大器分別重新啟動(dòng)、預熱30 分鐘之后，輸入設置統一分別設置為-40dBm(線(xiàn)性區間之內)，測試功率放大器的六個(gè)通道，在不同的頻率點(diǎn)的輸出信號幅度與相位的差異值，測試結果見(jiàn)圖13，測試結果表明兩次測試功率放大器最大的信號幅度漂移可能超過(guò)1dB，相位漂移則相對較小，這意味著(zhù)系統在不同的工作時(shí)間，測量不確定可能會(huì )由于功率放大器的信號漂移而大幅增大，因此我們建議系統應該進(jìn)行日常校準工作，即校準文件需要經(jīng)常進(jìn)行更新。

　　功率放大器的短期信號漂移是描述對應于某一次測試過(guò)程中，如40 分鐘，輸出信號的變化，我們記錄到40 分鐘最大的信號幅度變化在0.1dB 以下，這證明在同一次測試過(guò)程中，功率放大器的信號漂移不會(huì )對系統測試結果產(chǎn)生影響。

　　圖13、功率放大器各通道的信號漂移(長(cháng)期)

　　3.2.4、多探頭之間的耦合情況

　　對于多探頭系統，天線(xiàn)探頭之間的互相耦合可能會(huì )影響到測試結果，這種影響的評估在尺寸較小的暗室配置中顯得更為重要，在A(yíng)BP MIMO OTA 單簇法系統中使用到了3 個(gè)雙極化的天線(xiàn)探頭，我們分別對3 個(gè)天線(xiàn)的兩種極化做了測試，測試結果見(jiàn)圖14，測試結果表明最大的耦合發(fā)生在3 號天線(xiàn)的垂直與水平極化之間，在1.2GHz 約為-18dB，其他耦合一般小于-30dB。

　　圖14、暗室內天線(xiàn)探頭之間及各極化方向的信號耦合情況

　　3.3、信道模型的驗證

　　作為系統信道環(huán)境重建成功與否的重要確認，在正式開(kāi)始測試之前，無(wú)論是何種測試方法，均應當對暗室/ 混響室內部的信道模型做一個(gè)完整的驗證。廣播電視規劃院對單簇模型的信道驗證結果在參考文獻[40] 中有詳細的介紹，PDP、多普勒頻移和空間相關(guān)性驗證的結果見(jiàn)圖15、表6 及圖16。

　　圖15、ABP 單簇法信道模型的驗證：時(shí)延特性

　　表6、多普勒擴展的驗證結果

　　圖16、ABP 單簇法信道模型的驗證：空間相關(guān)性

　　3.4、測試區域內的信號功率與SIR 驗證

　　在目前的MIMO OTA 針對吞吐量測試，必須對測試區域內的參考測試信號功率(RS-EPRE)及SIR 值進(jìn)行驗證，否則不同實(shí)驗室之間的測試數據無(wú)法進(jìn)行統一和比較。參考文獻[41]、[42]、[43] 中列舉了測試功率及SIR 的定義和驗證方法。

　　廣播電視規劃院的單簇MIMO OTA 系統的信號功率與SIR 驗證結果在參考文獻[39] 中已列舉，摘錄如下：在測試區域中的RS-EPRE 的計算值與實(shí)際測試值之間差異為-0.34861 dB ;在UMi、UMa/A、UMa/B 信道模型下，測試區域中的SIR 目標值與實(shí)際測試值之間的差異分別為-0.28dB，-0.58dB 及-0.47dB。

　　3.5、實(shí)際測試結果

　　在CTIA 開(kāi)展的第二輪比對測試當中，廣播電視規劃院利用建立的單簇法MIMO OTA 測試系統對送樣的3 類(lèi)天線(xiàn)及其終端進(jìn)行了測試，測試結果表明單簇法可以很好地將3 個(gè)終端進(jìn)行區分，不同的信道模型對終端吞吐量的影響也清晰可辨(圖17) 。

　　圖17、ABP 單簇法實(shí)測結果

　　4、結束語(yǔ)

　　在本文當中，以多探頭方案為主介紹了各種多天線(xiàn)終端的測試方法，并闡述了信道模型及其驗證在多天線(xiàn)終端的性能評估方案中的重要意義，對以單簇法為代表的多探頭方案在系統校準、信道驗證、測試方法等細節進(jìn)行了詳細的論述。

　　中國的4G 牌照已于2013 年12 月4 日發(fā)放，多天線(xiàn)終端和MIMO 技術(shù)將逐漸成為主流，與此同時(shí)，隨著(zhù)國家地面數字電視的推廣和高清多屏互動(dòng)的應用，以802.11ac 為代表的WiFi 多天線(xiàn)技術(shù)也將進(jìn)入普通家庭。在這個(gè)背景下，MIMO OTA 作為保障用戶(hù)體驗的終端性能評估方法，其研究和演進(jìn)必然對整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)及多天線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。