高效的MIMO OTA双通道测试方法

摘要：现代的无线通信技术如LTE，HSPA+和WiMAX，都采用MIMO（多输入/多输出）技术实现了数据传输速度的提高。相应地，天线测试系统（OTA）也同样需要升级到支持MIMO的测试模式。本文介绍了一种简单而且经济的测试方法来验证MIMO设备的OTA性能，包括各向同性灵敏度（EIS）和吞吐率。

1  MIMOOTA测量需要新的测量方法

高质量的无线通信设备需要一个近似全向性的天线，OTA（天线性能测试）测试就是用来评估此天线的性能。如今，OTA测试是无线设备认证测试时的一个重要测试项目：在暗室环境中，得到辐射发射功率和接收灵敏度的三维方向图。目前，标准的OTA测试都是SISO模式（单输入/单输出），如主流的2G，3G和WLAN的802.11a，b，g等设备，其主要的测试指标是TRP（总辐射功率）和TIS（总各向同性灵敏度），采用的标准是CTIA或3GPP系列。

而现在，MIMO技术得到大量的采用，目的是提高数据应用时的网络性能。由于采用空分复用技术，分配频谱的信道容量得以显著提高，但是新的传输技术也带来了新的测试要求。

2×2MIMO有两路下行数据流，因而UE（用户设备）需要两支接收天线，为了达到最好的性能，我们希望接收天线之间的相关性尽量小，方便各自同时接收不同的数据流。为了评估整体接收天线的性能，只是分别评估每支接收天线的性能是不够的，MIMO设备的OTA性能测试需要在以下工作机制下进行测量：

●发射分集工作模式（冗余数据流，提高接收灵敏度）。

●空分复用工作模式（多路数据流，提高吞吐量）。

LTE的调制解调器通常工作在室内。客观存在的多径效应，让它从各个角度实现多路接收，因此在OTA测试时，也需要对它进行全三维的分析评估，即球面的测量方法提供了与真实工作情况相似的条件。

2  高效的MIMOOTA测试方法：双通道测试方案

2G和3G中SISO的OTA测试是强制的，通常我们希望原有的天线暗室就可以直接满足SISO和MIMO的应用，也希望现有的SISOOTA测试系统可以方便地升级到MIMOOTA的测试。罗德与施瓦茨的双通道测试法可以方便地实现这样的需求。

双通道测量法是一种检验MIMO设备OTA性能直接有效的方法。距离UE相同距离处，放置两支双极化、入射角可转动的测试天线，分别发射不同的MIMO下行信号。各种方位角和极化方式的组合，便可得到UE天线的总体特征。如图1所示，OTA暗室内包含4个角度定位装置：角定位器，两支测试天线：ANTDL1，ANTDL2，呈10°（模拟乡村）或90°夹角分布（模拟城市）；以及一支通信天线：ANTUL；此外，暗室边还有一个射频接入板可允许5路射频通道连接到暗室内的天线；外部设备包括基站模拟器（R&SCMW500）和一个开关矩阵（R&SOSP130）。

图1　支持双通道法的MIMO OTA测试系统TS8991方框图

双通道测试法也可以用来验证方向图和负载阻抗可随环境自适应变化的智能天线。由于在测试过程中无需任何辅助射频电缆连接到测试天线的端口，因此可以确保EUT天线的阻抗特征与实际使用情况完全一致。

3  传导和辐射测试的结果

实际上，具有一定方向图的接收天线模块可看成是一个附加的相关组件，通常它会增加接收机输入端数据流的相关性，因此会影响整个MIMO接收的性能。所以，我们希望的理想MIMO天线不会对数据流的相关性带来任何附加的影响。

为了表征设备的整体MIMO性能，需要模拟不同的环境衰落场景，而且在每种场景中模拟出不同的方向特性。现实环境中会有各种的入射角和极化场景的不同分布。要表征天线的相关性，理论上，只需选用两个通道各自代表不同的方向角和极化方向，选取适当的测试参数集便可完全地描述出接收天线的辐射特性。

然而，用户设备的接收特性不只取决于天线系统的特性，还与本身的接收机模块性能有关。因此，我们建议将整个MIMO测试分为两个独立的测量步骤：传导测试和辐射测试。

传导测试是3GPP强制性认证的一部分，即我们常说的衰落测试。这部分测试的目的是验证UE接收机在通信信道参数动态变化时的性能。

而本文主要关注的是辐射测试，即双通道法OTA测试，是用来检验UE接收天线的相关性。辐射测试（OTA）与传导测试互为补充，这样大大降低了测试的复杂度。与一套完整的多径传播场景系统相比，大大降低了测试成本。传导和辐射测量时的基站模拟器需要设置在相同的信令状态。

图2显示了4个不同的LTE调制解调器的传导测量结果。测试采用下行2×2MIMO的开环空分复用，16QAM调制，数据吞吐量与绝对下行功率的函数曲线如图所示。此时是采用两根射频线缆连接BSE到UE的天线端口，得到的结果提供了此传输机制和BSE设置下的灵敏度性能参考值。由于两路接收没有耦合，因此此时达到最大的空间分极。也就是说，MIMO的吞吐量测试在传导模式时具有最好的灵敏度，此时的接收性能只取决于UE接收机的性能。

图2　传导测试模式，数据吞吐量与绝对下行功率的函数

由图2可见。UE2和UE4具有最好的接收灵敏度。UE1的灵敏度差了大约4dB。UE1，UE2，UE3工作在频带7（2.6GHz）。UE4工作在频带20（800MHz）。

辐射测试模式，发射天线对在不同的空间方位角对UE进行测试，每个方位角还有4种极化方式的组合（见图3）。平均的吞吐量（RS EPRE）是各种测试结果的线性平均。UE2利用其内置的天线；UE2 ExtAnt 则是采用两支分开半波长正交极化的外置天线连到UE2的天线端口，这样的布置提供了最好的MIMO天线性能，因为外置天线的布置确保了最大的空间分极和极化分极。

图3　辐射测试模式，数据吞吐量与绝对下行功率的函数

UE4的MIMO天线性能产生了巨大的性能降低。即使它在传导测试时达到了最好的MIMO灵敏度，但它在辐射测试时的平均吞吐量是很差的。同样要达到最大吞吐量的一半，UE4比UE2多需要5dB的下行功率。实测结果与理论的预期是一致的：因为UE4是工作在频带20（800MHz），波长大约为频带7的3倍。但UE4与UE2的外形尺寸是一样紧凑的，因此很难将UE4的天线设计成与UE2达到一样的空间分极和极化分极的效果。

除了吞吐量，其它的OTA参数也可由双通道法得出，如EIS，TIS等。MIMO的EIS（有效各项同性灵敏度）3D分布图可由R&S AMS32系统软件自动生成（见图4），此时的接收功率对应5%的误块率（BLER）。

图4　UE4的MIMO EIS 3D分布图

4  MIMO OTA测试方法的标准化进程

与OTA标准最相关的标准化实体是美国的CTIA和3GPP的RAN4。当前，多种不同的MIMO OTA测试方案进行了提交和讨论。测试方法的最后确定取决于测试结果的质量（换句话说，是否可以判断好的设计与不好的设计），也要考虑系统的复杂度，这与方案的投资成本是紧密相关的。此外，测试时间也是一个需要考虑的方面。欧洲的"COST行动 2100"已经奠定了MIMO OTA测试的基础。新的"COST行动 IC1004"已于2011年夏天启动，它将会大大推动标准化的进程。

5  结束语

为了得到MIMO OTA性能的完整描述，需要两支发射天线在各个入射角方向对UE天线进行三维的测试，而且还需要各种极化方式的组合。传导测试以及辐射测试相结合的分析方法，可用来判断问题是出在无线设备的天线设计上，还是本身接收机的性能上。

双通道测试法还可以用来检验多径传播效应（衰落）。此时，需要在MIMO OTA的TS8991测试系统里增加一台带衰落模块的R&S AMU200A基带信号发生器，可实现将R&S CMW500产生的下行数据流进行衰落模拟。

罗德与施瓦茨的双通道测试法的另一大优点是可以在原来的SISO测试系统基础上方便地进行升级，只需增加第二个角度定位器控制系统以及第二支测试天线。大大地降低了成本，也满足了业内客户的需求。