多天线终端测试方法的演进、理论与实践

2、MIMO OTA测试方法简介

2.1、MIMO OTA 各测试方案简介

在3GPP 37.977^[15] 当中，有许多备选的MIMO OTA 测试方案，这些备选方案可以归结为4 类，分别由不同的公司主导或支持，本小节简要介绍37.977 中提到的这些方案的构建方法，并引用了其中的部分图例（在2013 年11 月3GPP 的一次会议当中，由R&S 主导的分解法暂时未被列入37.977 正文）。

2.1.1、基于多探头（Multi-Probes）的测试方案

这种测试方法利用暗室（AC，Anechoic Chamber）消除电波的无用反射，基站模拟器（BaseStation Emulator）的信号通过信道仿真器（CE，Channel Emulator，有时也被称为衰落模拟器Fading Emulator）经历预定义的信道模型后，通过若干对准被测物（DUT，Device Under Test）中心的双极化天线（即多探头），经空间辐射传播到DUT，使之经历所需要的信道衰落，观察并记录其吞吐量表现。其中一个典型的实现方式如图4 所示。

图4、暗室中基于多探头的测试方案

目前，虽然有很多公司都生产、设计信道仿真器，但全球只有英国Anite 及美国Spirent 公司提供的信道仿真器可以支持本方法描述的MIMO OTA 测试，他们完成了信道模型的重建及暗室内通过多探头系统进行的空间域信息的重构，因此可以说，在这个方法当中，信道仿真器成为了整个测试系统的核心。而诸如法国SATIMO 及美国ETS-Lingen 公司则对整个测试系统提供了软件支持及系统集成服务——他们依靠在传统OTA 认证测试中建立的技术及系统经验，很早就预见并启动了MIMO OTA 的研发工作，但只有当信道仿真器在技术上取得突破之后，整个系统构建才变得清晰起来；同时，在各国也有一些支持该方案的本地系统集成商，如日本Microwave Factory，韩国MTG，国内HWA-TECH 等。系统集成商一般将完成暗室、多探头天线、功率放大器、射频线缆、射频开关及测控软件的设计与实施，与信道仿真器协同工作，此外，系统集成商还应当提供系统校准与最终系统的信道验证服务等。

多探头方案需要在整个球面（3D，3 维信道模型）或水平面（2D，2 维信道模型）建立多个探头以模拟各个方向（簇）的信号到达角及其角度扩展；如果要实现3D 信道模型，需模拟垂直方向上的信号到达角及其角度扩展，系统则更加复杂，同时每个双极化探头需要连接两个独立的信道仿真器物理通道，这意味着多探头系统的成本将显著高于其他方案，而实践证明其校准和测试复杂性也同样高于其他方案。在带来昂贵与复杂性的同时，多探头的优点也同样显而易见的，这种方法理论上能够完全可控地再现信道模型，其信道验证结果也证明了数学模型的预测，这个测试方法未来将可能升级发展成为真正的虚拟路程（VDT，Virtual Drive Test）：将终端经历的外场环境在实验室里可控地再现，不仅仅是认证测试的需要，同时是芯片、终端研发人员改善新技术、新算法的必由之路。

后文将主要讨论基于多探头的方法技术细节，并介绍广播电视规划院所开展的研究工作。

2.1.2、基于两步法（2-Stage）的测试方案

两步法最早由美国安捷伦（Agilent）公司的中国实验室提出，并一直不断坚持并完善着他们最初的设计理念。所谓两步法，意思是在第一步当中通过某种方法，获取到终端的天线方向图，在第二步当中将获取得到的天线方向图数据导入基带信道仿真器当中，然后对DUT 进行传导测试，以便考量其基带芯片及天线的整体性能，其典型实现如图5 所示。

图5、基于两步法的测试方案（美国安捷伦公司）

从理论上说，两步法与多探头方法是类似的，都是将DUT 置于模拟的几何信道模型当中，这些信道模型可以是来源于标准模型，也可以是自定义的，只不过多探头方法是通过构建物理暗室及多探头，用信道仿真器在实际空间中重现信道模型，而两步法则是将测得的天线方向图放进基带信道模拟器当中通过软件仿真的方法对DUT 施加衰落影响。

目前，全球只有美国Agilent 公司在主推这种测试方法，图4 暗室中基于多探头的测试方案并得到了美国高通公司的支持——在两步法中，通过芯片获取天线的方向图是至关重要的一步，因此该方法目前要求芯片必须提供这种测试模式。相比于多探头的方法，两步法的好处是不需要另外构建多探头系统，相对地降低了投资成本和测试时间成本。然而这种方法通常会受到的质疑是：测量一个被测件的性能结论，其一部分测试数据依赖于被测件本身内部芯片的报告，这意味着测试者必须额外对芯片进行置信度评估；另一方面，对于未来类似波束赋形（Beamforming）等通过实时改变天线方向图而改善终端性能的新技术，两步法目前暂时还无法支持。而现实的情况是，诸如Apple 公司2013 年新上市的无线网桥产品“Airport Time Capsule”，已经声明支持MIMO 中的波束赋形技术^[1]。

2.1.3、基于混响室(RC, Reverberation Chamber) 的测试方案

混响室的概念与暗室正好相反，后者尽量避免信号在传播到DUT 之前经历反射，而前者则通过各种方法使信号在混响室内部尽量多地经历反射之后再传达到终端，以便使DUT经历所谓的瑞利信道，目前至少有两个公司在3GPP 37.977中声称提供了自己的实现方案，见图6 及图7。

图6、基于混响室的测试方案（瑞典Bluetest 公司）

图7、基于混响室的测试方案（西班牙Emite 公司）

Bluetest 公司的奠基人是来自瑞典Chalmers 理工大学的Per-Simon Kildal 教授，他在天线设计的过程中，很早就开始尝试将混响室应用于天线性能测量。他们早期将RC 测量方法于传统单天线的设计，然后开始应用于MIMO 天线，并做了很多新的定义^[22][23]，最近几年当中Per-Simon 与他的博士生陈小明逐渐提出并完善了在混响室中进行有源多天线终端吞吐量测试的方法，即基于RC的MIMO OTA方案^[24]~[27]。类似的，西班牙Emite 公司的David Sanchez 领导的研究小组同样在天线设计的过程中使用RC 的方案进行MIMO 天线与终端的测试，并提出了他们的一些新的思路。在这几年国内的客户试用过程中，Bluetest 公司通过商业运营在产品适用性建立了不错的口碑。

无论对于无源单天线还是无源多天线，单独使用RC 进行天线测试一般是基于RC 自身和参考天线的效率，对于真实终端的有源测试，可以认为RC 营造了一种瑞利信道的条件，瑞利信道是在单天线终端时代就已提出的概念，而我们从MIMO 信道模型可以看到，宽带的MIMO 信道模型在时域、频域、空间域乃至极化域都有了解析，由单独RC 建立的内部瑞利信道既无法反映不同径的到达时延，也无法控制不同径的多普勒色散，更无法控制各径的到达角，只能给出最终信号幅度服从瑞利分布的一个统计模型。为了解决精确描述时延特性等问题，RC 曾经考虑使用加入吸波材料引入额外的时延，但这种方法可控制性比较差，而且由于吸波材料的引入将改变K 因子，会使得测量不确定度扩大^[27]。

在这种情况下，一个混响室与信道仿真器的升级方案——RC+CE——就被提出来，简单一点说，信号在进入混响室之前，通过信道仿真器加入时延与多普勒频移，用以弥补原单一RC方案的不足。这种方法虽然一定程度上解决了RC 在模拟信道模型中时延与多普勒时遇到的问题，但在引入信道仿真器的同时也弱化了原单一RC 在经济性上的优势，同时对于角度扩展、到达角等空间域的信息，由于混响室自身的固有条件限制，仍暂时无法描述。但正因不需描述空间信息，混响室方案的测试速度得以加快，且由于其测试过程中进行了统计平均，使得测试结果显得稳定，而与此同时混响室方案对MIMO 系统在空间相关性的验证能力，尤其是极化鉴别能力大幅下降，在美国摩托罗拉公司Istvan 做的一个实验中RC 被证明完全无法鉴别终端的极化性能^[28]。

2.1.4、基于分解法的测试方案

由德国R&S 倡导的分解法MIMO OTA 方案，其思想来源于德国RheinMain 大学的W. L. Schroeder 教授及其博士生冯一飞^[29]。其示意图见图8。

图8、基于分解法的测试方案（德国R&S 公司）

分解法曾经被称为两通道法，意即在测试过程中，有两个发射天线将基站模拟器的信号发送给DUT，DUT 在水平面旋转，而两个探头在垂直面上同时动作，他们首先遇到的一个问题在于DUT 测试位置（角度）与发射天线位置的选择。

此外，R&S 的工程师声称此方法区别于多探头全环法，在于“分解法是一种3D 的测试方法，而多探头全环只做水平面2D 测试”，然而实际上，首先他们曲解了3D 信道模型的概念，另一方面，即使是分解法，在同一时刻，两个发射天线与DUT实际上是在同一个平面之上。

在3GPP RAN4 的2013 年11 月一次会议当中，该方法未被列入正文。

2.2、多探头方案国际研究动态与演进

从测试方法的角度上，对于基于信道仿真器与暗室、多探头的方案，来自各国的研究者各自独立地上做过大量的研究：芬兰Pekka Kyösti 在参考文献[8] 中详细阐述了多探头方案的原理，其中包含两个信号合成方法：平面波合成（WFS, Wave Field Synthesis）与预衰落合成（PFS, Pre-Faded signal Synthesis）；美国Spirent 公司John Douglas Reed 在参考文献[30]中阐述使用MIMO OTA 的方法对空间相关性进行重现；丹麦Aalborg 大学Gert Pedersen 教授带领他的团队与Intel 公司合作，自行搭建了暗室、多探头和测试软件，对SCME 等信道模型下LTE 终端的测试方法进行了研究，并对多探头方案的系统配置和验证给出了测试结果^[31]~[33]；美国Apple 公司Matt A.Mow 等人对终端在MIMO OTA 测试过程中与传导测试中的一致性比较方法进行研究，并申请了专利^[34]。芬兰原赫尔辛基大学Tommi Latinen 等对平面波合成的多探头数量进行了研究^[35] ；日本松下公司与东京理工大学的研究证明了使用信道模拟器和多探头的方法能够产生准确的射频信道模型，从而利用可控的空域相关性对MIMO 信道容量进行研究变为可能^[36]，他们同时也给出了系统设计以及校准流程的建议^[37]；英国Anite（前芬兰Elektrobit）公司很早就展开了MIMO OTA测试可行性的研究，将仿真和实测结果与参考模型特性进行了对比，结果表明在大多数情况下OTA 与参考模型具有很高的一致性，证明了在暗室中可以产生所需的无线信道传播特性^[38]。

从信道模型的角度上，2000 年开始，基于射线的多天线信道模型就开始从Tap Delay Line 向Cluster Delay Line 过渡，2003 年3GPP TR 25.996 中定义了SCM，欧洲WINNER 项目进一步推动并细化了基于几何的随机信道模型GSCM 的发展。目前，虽然各个MIMO OTA 方案都在声称自己的优越性，但一个不争的事实是，多探头的信道模型是早于MIMO OTA方案就被工业与学术界认可，而其他几个测试方案一方面对于电波传播与信道模型涉及不多，另一方面都在将自己的测试结果与多探头系统看齐。

大约从2008 年开始，全球范围内有三个关注多入多出信道测试、建模以及MIMO OTA 测试的学术与标准化组织，分别在各自的范围内对以上技术和论题展开交流和讨论，他们是：

1 . 欧洲COST （European COoperation in Science and Technology）下的COST2100 及其后继者IC1004
2. 北美CTIA（Cellular Telephone Industry Association）
3.“ 第三代合作项目”（3GPP）

目前在COST IC1004、3GPP 和CTIA 的讨论中出现的几种MIMO OTA 测试方法中，笔者认为基于信道仿真器与暗室多天线探头的方案，能够对SCM 信道模型中所定义的，MIMO 系统性能所依赖的角度扩展AS（Angle Spread），时延扩展DS(Delay Spread) 等信息进行控制和重现。其他的方案，如，混响室测试方案可以实现快速测试，但无法控制并还原角度扩展等对多天线系统性能有重要影响的信息，所以只能对终端提供有限的性能评估；而两步法可以利用原SISO 的微波暗室，减少投资，但需要被测设备能够支持测试模式，对于未来的波束赋形等新技术目前也还无法支持；分解法不再保留原来的信道模型的概念，使用统计的方法估算MIMO 系统性能，测试数据与真实环境的对应关系也缺乏数据的支持。

然而，多探头测试方案的终极目标是实现3D 信号模型，这一方面需要暗室和天线探头数量足够多，另一方面要求信道仿真器提供足够的物理通道，使得多探头的3D 方案造价昂贵，很难一步到位。一种循序渐进的方法，是以单簇法作为一个起点，化整为零地建立一个可升级的多探头系统。引用3GPP 37.977 中的描述，图9(a) 描述的是多簇法，而(b) 描述的则是单簇法。

图9、多探头测试方案：多簇法与单簇法

简而言之，在目前广泛使用的2D 全环法多簇测试方案中，可以考察终端在不同的信道时延特性、多普勒谱、空间相关性和交叉极化比下的性能特性，但由于信道模型限制在水平面范围内，所以无法描述来自垂直方向上的来波对终端性能的影响；类似的，在单簇法中，同样可以考察终端在不同的信道时延特性、多普勒谱、空间相关性和交叉极化比下的性能评估，但由于限制在单簇范围内，所以无法描述来自不同簇的来波；从这个意义上说，全环法的多簇，与单簇测试方法，都是多探头3D 方法的一种折中方案。