多天线终端测试方法的演进、理论与实践

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。

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。