高效的MIMO OTA測試方法：雙通道測試方案

現代的無線通信技術如LTE，HSPA+和WiMAX，都采用MIMO（多輸入/多輸出）技術實現了數據傳輸速度的提高。相應地，天線測試系統（OTA）也同樣需要升級到支持MIMO的測試模式。本文介紹了一種簡單而且經濟的測試方法來驗證MIMO設備的OTA性能，包括各向同性靈敏度（EIS）和吞吐率。

1 MIMOOTA測量需要新的測量方法

高質量的無線通信設備需要一個近似全向性的天線，OTA（天線性能測試）測試就是用來評估此天線的性能。如今，OTA測試是無線設備認證測試時的一個重要測試項目：在暗室環境中，得到輻射發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技術得到大量的采用，目的是提高數據應用時的網絡性能。由于采用空分復用技術，分配頻譜的信道容量得以顯著提高，但是新的傳輸技術也帶來了新的測試要求。

2×2MIMO有兩路下行數據流，因而UE（用戶設備）需要兩支接收天線，為了達到最好的性能，我們希望接收天線之間的相關性盡量小，方便各自同時接收不同的數據流。為了評估整體接收天線的性能，只是分別評估每支接收天線的性能是不夠的，MIMO設備的OTA性能測試需要在以下工作機制下進行測量：

●發射分集工作模式（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。客觀存在的多徑效應，讓它從各個角度實現多路接收，因此在OTA測試時，也需要對它進行全三維的分析評估，即球面的測量方法提供了與真實工作情況相似的條件。

2 高效的MIMOOTA測試方法：雙通道測試方案

2G和3G中SISO的OTA測試是強制的，通常我們希望原有的天線暗室就可以直接滿足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、入射角可轉動的測試天線，分別發射不同的MIMO下行信號。各種方位角和極化方式的組合，便可得到UE天線的總體特征。如圖1所示，OTA暗室內包含4個角度定位裝置：角定位器，兩支測試天線：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：ANTUL；此外，暗室邊還有一個射頻接入板可允許5路射頻通道連接到暗室內的天線；外部設備包括基站模擬器（R&SCMW500）和一個開關矩陣（R&SOSP130）。

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驗證方向圖和負載阻抗可隨環境自適應變化的智能天線。由于在測試過程中無需任何輔助射頻電纜連接到測試天線的端口，因此可以確保EUT天線的阻抗特征與實際使用情況完全一致。

3 傳導和輻射測試的結果

實際上，具有一定方向圖的接收天線模塊可看成是一個附加的相關組件，通常它會增加接收機輸入端數據流的相關性，因此會影響整個MIMO接收的性能。所以，我們希望的理想MIMO天線不會對數據流的相關性帶來任何附加的影響。

為了表征設備的整體MIMO性能，需要模擬不同的環境衰落場景，而且在每種場景中模擬出不同的方向特性?，F實環境中會有各種的入射角和極化場景的不同分布。要表征天線的相關性，理論上，只需選用兩個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的輻射特性。

然而，用戶設備的接收特性不只取決于天線系統的特性，還與本身的接收機模塊性能有關。因此，我們建議將整個MIMO測試分為兩個獨立的測量步驟：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態變化時的性能。

而本文主要關注的是輻射測試，即雙通道法OTA測試，是用來檢驗UE接收天線的相關性。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景系統相比，大大降低了測試成本。傳導和輻射測量時的基站模擬器需要設置在相同的信令狀態。

圖2顯示了4個不同的LTE調制解調器的傳導測量結果。測試采用下行2×2MIMO的開環空分復用，16QAM調制，數據吞吐量與絕對下行功率的函數曲線如圖所示。此時是采用兩根射頻線纜連接BSE到UE的天線端口，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。由于兩路接收沒有耦合，因此此時達到最大的空間分極。也就是說，MIMO的吞吐量測試在傳導模式時具有最好的靈敏度，此時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。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，發射天線對在不同的空間方位角對UE進行測試，每個方位角還有4種極化方式的組合（見圖3）。平均的吞吐量（RS EPRE）是各種測試結果的線性平均。UE2利用其內置的天線；UE2 ExtAnt 則是采用兩支分開半波長正交極化的外置天線連到UE2的天線端口，這樣的布置提供了最好的MIMO天線性能，因為外置天線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天線性能產生了巨大的性能降低。即使它在傳導測試時達到了最好的MIMO靈敏度，但它在輻射測試時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R&S AMS32系統軟件自動生成（見圖4），此時的接收功率對應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程

與OTA標準最相關的標準化實體是美國的CTIA和3GPP的RAN4。當前，多種不同的MIMO OTA測試方案進行了提交和討論。測試方法的最后確定取決于測試結果的質量（換句話說，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的。此外，測試時間也是一個需要考慮的方面。歐洲的“COST行動 2100”已經奠定了MIMO OTA測試的基礎。新的“COST行動 IC1004”已于2011年夏天啟動，它將會大大推動標準化的進程。