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4G手机研发工程师需要知道的MIMO OTA
时间:2015/4/14 10:55:43

写在前面:足无线通讯系统对更高数据率的需求,新的无线术都在移动终端采用了多天线技术,如LTE期演进项目)、LTE-Advanced(高级长期演进项目)和移WiMAX(全球微波互接入)。从广MIMO(多入多出)技涵盖了所有的多天线,例如SM(空多路技术)、BF(波束赋形)和空分集。MIMO在不增加外的带宽射功率的前提下,著地提高了数据吐量、服务质量(QoS)和小区的覆盖范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(射境。行业呼唤一测试方法,能可重复地准确的无线传输环境

 

MIMO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,必考虑天线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,一灵活、快速精准的测试方案在天线设计周期和最终产验证周期中创造出至关重要的价值,最终将直接影响到品上市时间

迄今止,有三不同的MIMO测试方案正在被无线中的3GPP(第三代合作目),COST2100(欧洲科学和技合作)和CTIA(移通信和因特网会)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衰落模(SFE)的测试方案。如图1a所示,将射频信道模拟器接到一个圆环头阵列,即多探头测试技术,从而在被测物位置可重地模拟产生复杂的多径衰落的无线境。

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接信道模器的混响室。混响室的目的在于在被测物DUT)周产生一个统计上的均匀功率分布,而天线和信道模器可用于生成所需的延特性(1b)。混响室测试方案受限于有限的不同衰落境的模拟能力,所以只能对终端提供有限的性能估。

c) Reverberation chamber测试方案,主要包含两个测试阶段。第一段,在各向同性的境下,使用传统的吸波暗室的测试系和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列;第二段,通下述两种手段把天线阵的信息与信道模型合起来:1)使用信道模器进行传导测试(1c,2)利用测试地得到的天线阵列信息通过理论算得到一个理论上的信道容量性能。因此,在一点上,多段方法只能获得有限的数据,还需要进的研究以得到准确的性能指标。


1 标准制定机构提出的三种不同的MIMO测试方法

 

SISO 单输单输出)测试范畴

多探在无线业内取得了成功和信任,并且被广泛地用在有的SISO测试范畴内作精确快速的线或分集设备OTA(空口)测试方案。在SISO测试中,探序工作的,并依次一个一个地被定。3维阵量,无测辐射功率或是接收灵敏度都是在各向同性的境中获得的(均匀信道模型)。随后3维阵的数据被集成进来以获得总辐射功率(TRP)和各向同性接收灵敏度(TIS)。些品因子(FoM)均被使用于描述端的系统级性能。

基于上文所述,MIMO性能于天线性能和信道境两者,因此SISO OTA单输单输出空口)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.空衰落模

由于无线信道在MIMO性能中起着关键的作用,无线信道模器是MIMO OTA(多入多出空口)测试中的重要组成部分。如2中所述,一个来自射机或基站模器产生的测试信号通线信道模器,线信道模器根据先定义的信道模型来模线信道。随后该信号在模器内部进行分离,并分配到暗室内的各个探,各自独立地辐射进入暗室。其果是射的多路信号在暗室中心空间合成,并在被测设备围产生所需要的无线信道境。

采用先的无线信道模器,例如EB公司的Propsim® F8,便可以在暗室内原真实生活环境。最典型的模参数包括路径耗、多径衰落、时延扩展、多普勒扩展、极化,当然有空参数例如到达角(AoA)和角度展宽(AS)。

了从MIMO OTA测试中得到有价值的果,无线信道模器必具有卓越的射性能。它的差矢量幅度(EVM)和内部噪音平必非常低,以便最大程度减少影响果的差。

而且,了在多次测量中得到一致的测试结果,衰落程必是可重的。这点在不同被测物的基准测试是非常重要的。EB Propsim® F8由于有卓越的射性能将风险最小化 , 而信道模型的可重100%


                                                 暗室方案MIMO OTA测试

 

基于几何学的随机信道模型

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),在模型中无线信道由下列参数定

• 射天线的位置和

• 播特性(延、多普勒、延角、到达角、射信号角度展宽、接收信号角度展宽,和极化信息)

• 移速度和行方向,

• 接收天线的位置和

• 以及多个大尺寸参数。

些基于量的信道模型,包括无线信道的所有参量(时间率、空和极化)。由于空和极化都是空性的关键参数(MIMO性能与此烈相),因此这两个参数得极重要。然,这种方法准确且逼真地模MIMO设备测试所需的境。3明了于具有射机、接收机以及两者之的多次散射的GSCM(基于几何形状的随机信道模型)的境。接收机接收到的信号是射机的发射信号通具有空特性的多径境后得到的,因此,包含接收天线特性的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(第三代合作伙伴目)的空信道模型(SCM),SCME展空

道模型),WINNER(全球无线创新无线电)和ITU(国际电盟), IMT- Advanced(国

通信)的信道模型。

 

MIMO OTA信道模型的映射

MIMO OTA测试中,接收天线直接集成在被测设备上面,成为设备的一个成部分,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测试中的关键在于要在暗室中实际播特性,尤其是AoA(到达角)和ASA(到达角的角度展宽)。这种以几何参数的信息,例如在SCM(空信道模型)中,要为被测设备的天线创建适当的相性参数。除此之外,还需要射天线阵列(基站)的信息,包括列的几何信息和天线场阵,以及个径或者簇对于端的速度分量或多普勒率分量。

随后些集群被同时映射到相应的OTA线处,使得射信号在暗室中央的空间合成结果与被定的模型一致。该映射是由空线信道仿真仪完成的。了使角度展更加精确,个簇的信号都是由几个OTA线发射产生的。其果是,以几何信息的无线信道境可以准确地在暗室里产生。


                                        基于几何地理的信道模型

EB MIMO OTA用软件功能强大,可以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(空信道模型),SCME(空信道模型展), WINNER(全球无线创新无线电, IMT-Advanced(全球移动电-), TGn(美国气和子工程师协WiMAX线信道模型)甚至于用自定的模型均可。OTA探头天线的数量和位置也是完全可的。同时,了保证射端仿真的真实性,也可以实际基站的天线阵于信道模型之中。除了静模型外,也可以建在线性动态变境里的景。

统设

               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4)。簇系统是根据吐量区分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性以及要求被测设备著地影响性能果。角度展宽较宽,这样相性较低,信道更易于实现空多工(SM)。采用二维全圆周,所有二信道模型(例如SCM, SCME, WINNER,IMT-Advanced)都能被模。完整的三维应用使得测试结果不考虑到方位角,同也考虑到俯仰方向播。整个系统是支持升级的,簇系统到二维全圆周系统,甚至到全维系统


                                        4 MIMO OTA测试系统的可扩展性

 

2. MIMO OTA信道模型

3GPP(第三代合作伙伴目)已批准了在MIMO OTA方法[1]所使用的标准信道模型。模型由CDL模型和一些简单模型成,参1                                MIMO OTA信道模型

 

#

模型基于

空间簇数

时间簇数

 

通用信道

模型

1

SCME 城市微蜂窝

6

6

2

修订版SCME 城市微蜂窝

6

6

3

SCME 城市宏蜂窝

6

6

4

WINNER II 室内-室外

12

12

单簇信道

模型

5

SCME 城市微蜂窝

1

6

6

Extended Pedestrian A      (EPA)

1

6

均匀信道

模型

7

Extended Pedestrian A      (EPA)

1

6

8

指数衰减

1

1

 

仿真的基站天线的标准要求是:

 垂直极化单元阵列

• 以中心率为准的固定4倍波长隔,或

• 不相,即UE(用户设备)与BS(基站)每个天线均为独立产生数据通信,无互相影响。

 双极化等功率元阵列,每个元无相性,且固定10倍波长隔以及45°斜。

2为一个信道模型示例。里的每一个簇都有不同的延以及不同的AoD发射角)

AoA(到达角)特性。个簇都有三条径,具有微小的延以确保良好的率相性和较带宽

单簇信道模型是基于SCME Urban Micro-cell model展空信道模型城市微蜂模型),并假定所有到达角都零度而得到的,意味着模型在空域只有一簇。延的位置与原始多簇模型相同。两个模型的交叉极化比、播方向和移速度都相同。在簇模型中的一个选项是允到达角的角度展宽可以设定35º或25º,以便于可测不同设备的空性范

SCME 城市微蜂窝

 #

时延 [ns]

功率 [dB]

AoD [°]

AoA [°]

1

0

5

10

-3.0

-5.2

-7.0

6.6

0.7

2

285

290

295

-4.3

-6.5

-8.3

14.1

-13.2

3

205

210

215

-5.7

-7.9

-9.7

50.8

146.1

4

660

665

670

-7.3

-9.5

-11.3

38.4

-30.5

5

805

810

815

-9.0

-11.2

-13.0

6.7

-11.4

6

925

930

935

-11.4

-13.6

-15.4

40.3

-1.1

 

时延 [ns]

294

簇的AS AoD / AS AoA [°]

5 / 35

簇的 PAS 形状

Laplacian

全部 AS AoD / AS AoA [°]

18.2 / 67.8

移动速度 [km/h] / 移动方向[°]

3. 30 / 120

XPR              注: V & H 组建基于假定的基站天线

9 dB

中期路径共享参数:

AoD, AoA, AS, XPR

 3. 校准

 

将概述对第二的测试系统行正确校准所需要的步骤。校准的目是对误差的补偿确保个探都有相同的幅度和相位响,例如探位置差异或者电缆个体差异引起的增益与相位误差

校准程包括个测试通道从信道模器的入口到设备位置的总的路径耗,其方法是使用一个静的信道模型,也称为单径模型于各条路径耗的差补偿是通过在信道仿真仪的用户界面GUI)调整条通道的幅度和相位的加。当幅度和相位的整加权值储存在信道仿真仪的个通道,校准程完成。通常使用已知增益的参考天线用来校准。个校准程必须对所有探的两个极化(垂直和水平)都行校准。SATIMO偶极子和磁偶极子天线可以分被用作垂直和水平方向的校准天线。

校准时间OTA(空口)测试的一个关键参数。天线设计师测试工程需要一个便于使用并且设置快速的工具。以下是下中常规校准方法的缺点:

• 偶极子天线是窄频带

• 偶极子是极化的,所以个需要校准的率,偶极子和磁偶极子天线两者都得使用.


5 MIMO OTA 测试设备与校准设备MV-CalTM  连接的设置

• 条测试通道都包括有源元件,例如混器和放大器。些元件的性能是与时间和温度有的,所以校准必须进行多达周数次。

• 针阵列本身是无法校准的。于高量的测试个探的射电轴还需要校准的。

SATIMO在多探的卓越技使得它有可能提出一具有自化、快速、和简单性能的MIMO OTA测试校准解决方案---MV-Cal TM5校准方案的示意

有两组数据会被理和存:

 第一组数据是校准暗室外部设备(射RF)和基BB)),这部分工作可在任何时间MVCalTM盒子瞬完成。

 第二组数据是校准探针阵列本身,校准步骤对出(SISO)和多入多出(MIMO量是相同的。SATIMO于探头阵列的校准有多年的专业经验,其经过良好验证的校准方案可以确保一个探具有相同的幅度,相位和极化响

由于探电缆特性不会在短时间化,得高准确度的果,校准程的第二一般是行一次。

然后两组数据便可以直接应用于程中。这样,校准时间可以大大缩短,因为无需使用一偶极子天线来进行校准,而如果需要校准多个段时用偶极子天线校准部分通常需要花时间

4. 果分析

已使用上述的StarMIMO统设置,加上EB Propsim® F8 MIMO OTA信道仿真仪完成了测试任务。下面所示的是部分果,是正在行的3GPP/COST2100 Round Robin测试的一部分。

测试是使用簇(4个双极化探)和多簇(8个双极化探)方案行的。

3GPPCTIA,无线同把吐量与接收功率的系曲线作为评估测试的性能、天线以及多天线终端的芯片的品因子。

HSDPA(高速下行分接入)的RX(下行)分集和期演LTE)的多入多出(MIMO)设备上测试吐量与功率的系。

HSDPA (高速下行分接入)的RX(下行)分集的空口(OTA

67示的是NOKIA CS-15 USB (通用串行总线)Dongle和嵌入3G芯片DELL E4300 电脑的测试结果比测试时采用的是具有多簇的城市微信道模型和城市宏信道模型。两种设备均支持高速下行分接入(HSDPA)分9并且配下行路(RX)嵌入式天线


                    图6 Hset-3的吞吐量和信道功率图


                   图7 Hset-6的吞吐量和信道功率图

 

H-set3 H-set6是与HSDPA的下行物理信道的不同的相功率置有[参考3GPP TS34.121-19部分]

得到如下结论

• 当信道功率减少吐量下降

• 城市微元和城市宏元的设备性能方面存在差异

• 种设备相同的是,城市宏元的信道模型比城市微元更具挑性。

LTE MIMO OTA测试

89别显示了当使用单簇和多簇OTA测试方案,两个LTE MIMO的有设备吐量与信道功

率的系曲线

华为E398和三星GT-B371USB dongle使用相同的笔测试,并连接相同的USB端口,以避免在 UE(用户设备置中生任何差异。


                                                    8单簇下的城市微蜂窝和城市宏蜂窝

 

9多簇下的城市微蜂窝和城市宏蜂窝

 

RX(下行路)的分集测试曲线,可以得到如下结论:

• 该测试方案可以区分设备性能的优劣

• 吐量随着信道功率降低而减少

• LTE设备,城市宏元的信道模型比城市微单元更具挑性。

• 信道模型对设备的性能影响很大。可以从城市微蜂与宏元信道模型的吐量与信道功率曲线察到。 MIMO OTA测试准确地模不同的无线播场景,使得它可以调查不同参数性能的影响。

时间

时间OTA(空口)测试中的关键参数。天线设计师测试机构需要一个具有良好的准确性和相对较短的时间的测试方案。测试时间也很重要的另一个原因是因典型的性能测试是需要通过几个不同的信道模型测试结果下被估的。考吐量是作MIMO OTA测试的品因子,使用少数量的资源块吐量可以大大测试时间。基于信道模型的统计,必找到资源块数和信道模型统计的最佳折中值。

10示了在使用2000010000个资源块时吐量与信道功率的系的比线可以看出资源数量从20000减少到10000候,然大大减少了时间,但并没有对吞吐量与信道功率的系曲线著影响。资源数量从20000减少到10000时间也从110减少到了大40

 

                         10 吞吐量和资源块输量 
>结论

 

MIMO要考虑相性!相线链路的吐量具有重大影响。由于相粹是一线特性和播信道的参数, MIMO OTA的测试方案可以直接量其真端性能。

良好的天线设计工作是一复杂的任,尤其是在要考虑对终端的形状要求

本文中,我提出了一全新的测试,它是专为测量多天线终端的端到端性能而设计的。在单个测量中,可以描述完整的端性能,包括基,射前端和天线SATIMO在多探方面的经验可以为其提供准确的系校准方案。

SATIMO多探科技加上EB Propsim® F8 MIMO OTA信道仿真仪就可以提供一个一流的和准确的解决方案,方案可以测设备创建任意的空特性。而空信道模型是通把探线安放在不同的物理位置,并且通过EB Propsim® F8 MIMO OTA仿真仪模MIMO信道而实现的。从传统的传导测试信道模型到MIMO OTA模型的转换或映射是由EB开发件自动完成的。MIMO OTA测试技使得我可以行通/测试对现实环境中性能的估,该方法回答了“我的端有多好?”这一问题 

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