多天线终端测试方法的演进、理论与实践

　　3、ABP的工作进展

　　广播电视规划院(ABP)从2011 年开始介入了多天线终端测试方法的研究，目前主要建立了单簇法的多探头MIMOOTA 测试系统，不仅对各个部件做了验证[39]，而且对整个系统的最终信道模型做了验证，并于2013 年开始参加了CTIA组织的比对测试[40]。本节将主要介绍这方面的内容。

　　3.1、ABP 单簇法MIMO OTA 系统

　　广播电视规划院的单簇法实验室连接示意图见图10，这个方案最大的特点是由原来的常规单天线终端OTA 测试暗室(ETS AMS8600)改造而来，暗室的尺寸见表1。由于不需要另外搭建暗室，不仅使得系统建造的成本大幅下降，也同时免去了另建暗室寻址时的麻烦。在这个单簇法MIMO OTA 技术平台上，包含信道验证在内的大部分多探头系统的基本研究得以推进。

　　表1、ABP 暗室数据

　　图10、广播电视规划院(ABP) 单簇法MIMO OTA 测试系统

　　通过特别的设计，该系统可以在MIMO OTA 与常规OTA测试之间进行转换，这种转换需要2 个人花大约5~10 分钟的时间，见图11，因此系统能够兼顾常规天线/ 终端OTA 测试与多天线终端的MIMO OTA 测试。

　　图11、单簇法MIMO OTA 与SISO OTA 测试环境的切换

　　3.2、系统及各部件的验证

　　3.2.1 暗室特性变化

　　如前文所述，ABP 的单簇MIMO OTA 在SISO 暗室的基础上组建，通过在暗室内安置的天线支撑件，可以在短时间内进行两种测试模式的切换，但相比于原SISO 暗室，增加的组件可能会影响暗室的特性，因此我们依照CTIA 的要求，在两种环境下进行了纹波测试，分别完成了自由空间下的30cm半径与50cm 半径静区在两个频点的比对，结果见表2 及表3。

　　表2、SISO 暗室的纹波测试比对验证(30cm 静区)

　　表3、SISO 暗室的纹波测试比对验证(50cm 静区)

　　测试结果表明扩展不确定几乎没有太大变化，增加天线支撑架后进行SISO OTA 测试的暗室环境的扩展不确定度仍然满足CTIA 小于2 的要求。

　　3.2.2、信道仿真器特性及信号漂移

　　作为核心部件，信道仿真器的特性极大地影响着整个系图10 广播电视规划院(ABP) 单簇法MIMO OTA 测试系统统的不确定度，我们需要知道信道仿真器设置及输入信号对于输出信号的影响程度;同时，信道仿真器作为一个有源设备，取决于内部部件的质量，其输出信号的幅度与相位均可能会随环境(温度、湿度)发生不同程度的漂移，如果漂移情况严重，信道仿真器将会对整个系统的不确定度产生影响。

　　我们在两个工作日分别做了不同的输入功率下，一分钟内信号仿真器的输出信号幅度与相位的变化测试，最恶劣的结果记录在表4 中，此外对两个工作日的输出信号做横向比较，以便了解长期情况下，其信号的漂移情况。根据测试结果，推荐的操作是：进行MIMO OTA 测试时，应维持基站模拟器的输入功率不变，根据信道仿真器设置，推荐输入功率的范围如下：

　　表4、信道仿真器的输入设置对系统稳定性的影响

　　(EIL-20) ≤INPUT ≤(EIL+CE) (7)

　　也即输入功率应该尽量接近期待功率(EIL)，其变化范围最小应大于设置的期待功率20dB以上，最大则不能比设置的期待功率的峰均比(CF)更大，否则系统的不确定将增大。对于信道仿真器的信号漂移，在符合式(7)的情况下，表5 的测试结果证明信道仿真器输出信号的幅度漂移不超过0.1dB，相位变化不超过1.5 度，因此我们可以认为信道仿真器在整个测试过程中是较为稳定的。

　　表5、信道仿真器信号漂移研究(长期)

　　3.2.3、功率放大器特性及信号漂移

　　用于补偿路径衰减的功率放大器其通道数与信道仿真器相同，其特性同样对整个系统的不确定度产生影响。通常，功率放大器需要有30 分钟的预热时间，在这段时间内，其输出信号幅度可能有0.5dB~1dB 的变化，30 分钟后输出将趋稳，因此我们推荐整个系统的预热时间一般在30 分钟，之后再做所有其他的验证或测试工作。

　　在开始测试之前，必须获取功率放大器的线性工作区间，我们对所用到的功率放大器进行了四个频点不同输入功率的测试，其增益测试结果见图12，从图中可以看出输入功率大于-30dBm 时将逐渐进入1dB 压缩点，因此我们所有后续工作中，将使得功率放大器的输入功率控制在-30dBm 以下。

　　图12、功率放大器的增益及线性范围

　　功率放大器的长期信号漂移是描述对应于实验室在两个工作时段，这决定了实验室是否能够在几周甚至几个月时长内，沿用同一个校准数据。我们的摸底测试是在两个工作日，对功率放大器分别重新启动、预热30 分钟之后，输入设置统一分别设置为-40dBm(线性区间之内)，测试功率放大器的六个通道，在不同的频率点的输出信号幅度与相位的差异值，测试结果见图13，测试结果表明两次测试功率放大器最大的信号幅度漂移可能超过1dB，相位漂移则相对较小，这意味着系统在不同的工作时间，测量不确定可能会由于功率放大器的信号漂移而大幅增大，因此我们建议系统应该进行日常校准工作，即校准文件需要经常进行更新。

　　功率放大器的短期信号漂移是描述对应于某一次测试过程中，如40 分钟，输出信号的变化，我们记录到40 分钟最大的信号幅度变化在0.1dB 以下，这证明在同一次测试过程中，功率放大器的信号漂移不会对系统测试结果产生影响。

　　图13、功率放大器各通道的信号漂移(长期)

　　3.2.4、多探头之间的耦合情况

　　对于多探头系统，天线探头之间的互相耦合可能会影响到测试结果，这种影响的评估在尺寸较小的暗室配置中显得更为重要，在ABP MIMO OTA 单簇法系统中使用到了3 个双极化的天线探头，我们分别对3 个天线的两种极化做了测试，测试结果见图14，测试结果表明最大的耦合发生在3 号天线的垂直与水平极化之间，在1.2GHz 约为-18dB，其他耦合一般小于-30dB。

　　图14、暗室内天线探头之间及各极化方向的信号耦合情况

　　3.3、信道模型的验证

　　作为系统信道环境重建成功与否的重要确认，在正式开始测试之前，无论是何种测试方法，均应当对暗室/ 混响室内部的信道模型做一个完整的验证。广播电视规划院对单簇模型的信道验证结果在参考文献[40] 中有详细的介绍，PDP、多普勒频移和空间相关性验证的结果见图15、表6 及图16。

　　图15、ABP 单簇法信道模型的验证：时延特性

　　表6、多普勒扩展的验证结果

　　图16、ABP 单簇法信道模型的验证：空间相关性

　　3.4、测试区域内的信号功率与SIR 验证

　　在目前的MIMO OTA 针对吞吐量测试，必须对测试区域内的参考测试信号功率(RS-EPRE)及SIR 值进行验证，否则不同实验室之间的测试数据无法进行统一和比较。参考文献[41]、[42]、[43] 中列举了测试功率及SIR 的定义和验证方法。

　　广播电视规划院的单簇MIMO OTA 系统的信号功率与SIR 验证结果在参考文献[39] 中已列举，摘录如下：在测试区域中的RS-EPRE 的计算值与实际测试值之间差异为-0.34861 dB ;在UMi、UMa/A、UMa/B 信道模型下，测试区域中的SIR 目标值与实际测试值之间的差异分别为-0.28dB，-0.58dB 及-0.47dB。

　　3.5、实际测试结果

　　在CTIA 开展的第二轮比对测试当中，广播电视规划院利用建立的单簇法MIMO OTA 测试系统对送样的3 类天线及其终端进行了测试，测试结果表明单簇法可以很好地将3 个终端进行区分，不同的信道模型对终端吞吐量的影响也清晰可辨(图17) 。

　　图17、ABP 单簇法实测结果

　　4、结束语

　　在本文当中，以多探头方案为主介绍了各种多天线终端的测试方法，并阐述了信道模型及其验证在多天线终端的性能评估方案中的重要意义，对以单簇法为代表的多探头方案在系统校准、信道验证、测试方法等细节进行了详细的论述。

　　中国的4G 牌照已于2013 年12 月4 日发放，多天线终端和MIMO 技术将逐渐成为主流，与此同时，随着国家地面数字电视的推广和高清多屏互动的应用，以802.11ac 为代表的WiFi 多天线技术也将进入普通家庭。在这个背景下，MIMO OTA 作为保障用户体验的终端性能评估方法，其研究和演进必然对整个无线通信行业及多天线技术的发展产生重要影响。