原创 OTA（空口）测试的分集与支持MIMO的终端

写在前面：为了满足无线通讯系统对更高数据率的需求，新的无线技术都在移动终端采用了多天线技术，如LTE（长期演进项目）、LTE-Advanced（高级长期演进项目）和移动WiMAX（全球微波互联接入）。从广义上讲，MIMO（多输入多输出）技术涵盖了所有的多天线技术，例如SM（空间多路技术）、BF（波束赋形）和空间分集。MIMO技术在不增加额外的带宽和发射功率的前提下，显著地提高了数据吞吐量、服务质量（QoS）和小区的覆盖范围。MIMO技术更加充分地利用了无线传输信道的特征以实现通讯性能的提升，因此，MIMO设备就更加适用于并且依赖于RF（射频）环境。行业呼唤一种先进的测试方法，能够可重复地创建准确的无线传输环境。

在MIMO系统中，空间相关性是一个非常重要的参数，它包含了天线以及传输信道两者的特性。事实上，已知信道模型未知天线特性是无法得到相关性的，同样地，已知天线特性未知信道模型也无法得到相关性。因此，必须同时考虑天线和传输信道两者的特性才可以测试多天线终端。

要了解MIMO设备的端到端的接收性能，就需要进行OTA（空口）测试。由于多天线系统的复杂性，一种灵活、快速精准的测试方案在天线设计周期和最终产品验证周期中创造出至关重要的价值，最终将直接影响到产品上市时间。

迄今为止，有三种不同的MIMO测试方案正在被无线行业中的3GPP（第三代合作项目），COST2100（欧洲科学和技术合作）和CTIA（移动通信和因特网协会）所研究及讨论。

a) Anechoic chamber (multi-probe, SFE)，基于吸波暗室的测试方案或者称之为空间衰落模拟(SFE)的测试方案。如图1a所示，将射频信道模拟器连接到一个圆环探头阵列，即多探头测试技术，从而在被测物位置可重复地模拟产生复杂的多径衰落的无线环境。

b) Reverberation chamber，混响室测试方案采用一个独立的混响室或者是一个连接信道模拟器的混响室。混响室的目的在于在被测物（DUT）周围产生一个统计上的均匀功率分布，而天线和信道模拟器可用于生成所需的延迟特性(如图1b)。混响室测试方案受限于有限的不同衰落环境的模拟能力，所以只能对终端提供有限的性能评估。

c) Reverberation chamber多阶段测试方案，主要包含两个测试阶段。第一阶段，在各向同性的环境下，使用传统的吸波暗室为基础的测试系统和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列；第二阶段，通过下述两种手段把天线阵列的信息与信道模型结合起来：1)使用信道模拟器进行传导测试（图1c）,或2）利用测试地得到的天线阵列信息通过理论计算得到一个理论上的信道容量性能。因此，在这一点上，多阶段方法只能获得有限的数据，还需要进行进一步的研究以得到准确的性能指标。

图1 标准制定机构提出的三种不同的MIMO测试方法

SISO （单输入单输出）测试范畴

多探头技术在无线行业内已经取得了成功和信任，并且被广泛地应用在现有的SISO的测试范畴内作为精确快速的单天线或分集设备的OTA（空口）测试方案。在SISO测试中，探头是顺序工作的，并依次一个一个地被选定。3维阵列测量，无论是测辐射功率或是测接收灵敏度都是在各向同性的环境中获得的（均匀信道模型）。随后3维阵列的数据被集成进来以获得总辐射功率（TRP）和总各向同性接收灵敏度（TIS）。这些品质因子（FoM）均被使用于描述终端的系统级性能。

基于上文所述，MIMO系统性能强依赖于天线性能和信道环境两者，因此SISO OTA（单输入单输出空口）的测试范畴对于多天线终端的端到端性能测试并不合适。

                                     MIMO测试范畴

相对于SISO OTA（单输入单输出空口）的多探头的测试场，在MIMO OTA（多输入多输出空口）中，信号是同时从设备周围的各个方向接收到的。这种特殊的设置，配合信道模拟器，使得在被测设备位置得以实现复杂的空-时传播环境的模拟[2-3]。SATIMO StarMIMO系统，加上Elektrobit公司的EB Propsim®F8信道仿真仪，给了MIMO OTA测试一个清楚的解答。

在吸波暗室进行的MIMO OTA测试提供了无需在测试步骤中连接外接电缆即可测试移动终端真实性能的可能性。MIMO OTA测试可以评估最终产品的终端用户体验，例如数据吞吐量，在真实的 无线信道环境下，其性能会随着环境的变化而发生巨大的变化。移动终端设计中的所有重要部件（如天线，射频前端，基带处理）都可以立即进行测试，同时也能够对于不同成品的移动终端的性能进行比较。

1．空间衰落模拟技术

由于无线信道在MIMO性能中起着关键的作用，无线信道模拟器是MIMO OTA（多输入多输出空口）测试系统中的重要组成部分。如图2中所述，一个来自发射机或基站模拟器产生的测试信号通过无线信道模拟器，该无线信道模拟器根据预先定义的信道模型来模拟无线信道。随后该信号在模拟器内部进行分离，并分配到暗室内的各个探头，各自独立地辐射进入暗室。其结果是辐射的多路信号在暗室中心空间合成，并在被测设备周围产生所需要的无线信道环境。

采用先进的无线信道模拟器，例如EB公司的Propsim® F8，便可以在暗室内还原真实生活环境。最典型的模拟参数包括路径损耗、多径衰落、时延扩展、多普勒扩展、极化，当然还有空间参数例如到达角（AoA）和角度展宽（AS）。

为了从MIMO OTA测试中得到有价值的结果，无线信道模拟器必须具有卓越的射频性能。它的误差矢量幅度（EVM）和内部噪音电平必须非常低，以便最大程度减少影响测量结果的误差。

而且，为了在多次测量中得到一致的测试结果，衰落过程必须是可重复的。这点在不同被测物的基准测试时是非常重要的。EB Propsim® F8由于有卓越的射频性能将这些风险最小化 ， 而信道模型的可重复性为100%。

     图2 暗室方案MIMO OTA测试

用于MIMO OTA测试的信道模型是基于几何学的随机信道模型（GSCM），在该模型中无线信道由下列参数定义：

• 发射天线的位置和阵列，

• 传播特性（延迟、多普勒、延迟角、到达角、发射信号角度展宽、接收信号角度展宽，和极化信息）

• 移动速度和行进方向，

• 接收天线的位置和阵列，

• 以及多个大尺寸参数。

这些基于测量的信道模型，包括无线信道的所有参量（时间、频率、空间和极化）。由于空间和极化都是空间相关性的关键参数（MIMO性能与此强烈相关），因此这两个参数显得极为重要。显然，这种方法准确且逼真地模拟了MIMO设备测试所需的环境。图3说明了对于具有发射机、接收机以及两者之间的多次散射的GSCM（基于几何形状的随机信道模型）的环境。接收机接收到的信号是发射机的发射信号通过具有空间特性的多径环境后得到的，因此，包含接收天线特性的空间特性即成为测试接收机性能的主要因素。GSCM系列（基于几何形状的随机信道模型）模型包括了3GPP（第三代合作伙伴项目）的空间信道模型（SCM），SCME（扩展空间信道模型），WINNER（全球无线创新无线电）和ITU（国际电信联盟）, IMT- Advanced（国际先进移动通信）的信道模型。

MIMO OTA信道模型的映射

在MIMO OTA测试中，接收天线直接集成在被测设备上面，成为被测设备的一个组成部分，因此无需将其天线阵列加载于仿真的信道模型之中，其对于被测设备性能的实际影响直接可以通过测试得到。这样，MIMO OTA测试中的关键挑战在于要在暗室中产生实际的传播特性，尤其是AoA（到达角）和ASA（到达角的角度展宽）。这种以几何参数为基础的信息，例如在SCM（空间信道模型）中，要为被测设备的天线创建适当的相关性参数。除此之外，还需要关于发射天线阵列（基站）的信息，包括阵列的几何信息和天线场阵列，以及每个径或者簇对于终端的速度分量或多普勒频率分量。

随后这些集群被同时映射到相应的OTA天线处，使得发射信号在暗室中央的空间合成结果与被定义的模型一致。该映射是由空间无线信道仿真仪完成的。为了使角度扩展更加精确，每个簇的信号都是由几个OTA天线发射产生的。其结果是，以几何信息为基础的无线信道环境可以准确地在暗室里产生。

图3 基于几何地理的信道模型

EB MIMO OTA应用软件功能强大，可以创建并且映射产生以几何学为基础的适用于暗室环境的信道模型。信道模型可以选择SCM（空间信道模型）,SCME（空间信道模型扩展）, WINNER（全球无线创新无线电）, IMT-Advanced(全球移动电信-先进), TGn（美国电气和电子工程师协会WiMAX无线信道模型）甚至于用户自定义的模型均可。OTA探头天线的数量和位置也是完全可变的。同时，为了保证发射端仿真的真实性，也可以导入实际基站的天线阵列于信道模型之中。除了静态模型外，也可以创建在线性动态变化环境里的场景。

系统设置

EB OTA系统可支持从简单的单簇系统扩展到复杂的全三维系统（图4）。单簇系统是根据吞吐量区分终端性能优劣的入门级解决方法。角度展宽过窄会导致的高相关性以及要求被测设备旋转会显著地影响性能结果。角度展宽较宽，这样相关性较低，信道更易于实现空间多工（SM）。采用二维全圆周系统，所有二维信道模型（例如SCM, SCME, WINNER,IMT-Advanced）都能被模拟。完整的三维应用使得测试结果不仅考虑到方位角，同时也考虑到俯仰方向传播。整个系统是支持升级的，从单簇系统到二维全圆周系统，甚至到全三维系统。

图4 MIMO OTA测试系统的可扩展性

2. MIMO OTA信道模型