通信与网络中的多天线终端测试方法的演进、理论与实践
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通信与网络中的多天线终端测试方法的演进、理论与实践通信与网络中的多天线终端测试方法的演进、理论与实践
多入多出(MIMO，Multi-Input Multi-Output)多天线技术是高速无线通信的发展趋势，随着商用设备的出现，针对多天线技术的测试方法——
MIMO OTA 受到了广泛的关注。目前大部分人对MIMO OTA 的理解停留在观望阶段，由于信道模型的引入，技术的复杂性使得各种测试方案
众说纷纭。本文将从信道模型开始阐述MIMO OTA 的基本概念，分类介绍四种主要的测试方案，通过我们对信道模型的验证结果，从电波传
播的角度证明了多探头测试方案的完备性和可行性，最后还描述了多探头方案的一种折中——单簇法的具体实现，同时指出现在在多探头实
施过程中各部件的属性及其设置对系统不确定度的影响，建议必
通信与网络中的多天线终端测试方法的演进、理论与实践通信与网络中的多天线终端测试方法的演进、理论与实践
类别：通信与网络 发布于：2016/4/11 | 394 次阅读
多入多出(MIMO，Multi-Input Multi-Output)多天线技术是高速无线通信的发展趋势，随着商用设备的出现，针对多天线技术的测试方法——MIMO OTA 受到
了广泛的关注。目前大部分人对MIMO OTA 的理解停留在观望阶段，由于信道模型的引入，技术的复杂性使得各种测试方案众说纷纭。本文将从信道模型开始
阐述MIMO OTA 的基本概念，分类介绍四种主要的测试方案，通过我们对信道模型的验证结果，从电波传播的角度证明了多探头测试方案的完备性和可行性，
最后还描述了多探头方案的一种折中——单簇法的具体实现，同时指出现在在多探头实施过程中各部件的属性及其设置对系统不确定度的影响，建议必须借助
信道模型验证和测试区域功率验证等方式，以确保整个系统的有效性。
0、引言、引言
近年来，在高清电视的多屏合一，客厅娱乐中心等应用场景中，iPad、智能电视、OTT 机顶盒等越来越多地被消费者接受，虽然其业务形式还在不断发生变
革和发展，而用户的最终接入方式无一例外均偏向于使用无线技术，一般目前比较常见的无线家庭接入技术采用的是WiFi，即IEEE802.11n，如歌华飞视、小
米盒子、乐视电视等。最新的Apple MacBook Air 则采用了更先进的IEEE 802.11ac 使之吞吐量达到1Gbps 以上，接入点Airport Time Capsule 更使用了波束赋
形技术，以Apple 这两个本年度力作为代表的下一代无线通讯方案均指向了多入多出多天线技术[1]。在下一代移动通信技术LTE 中，已经明确了多天线MIMO
技术作为其必选项，无独有偶的是，在广播电视无线覆盖中，由于高清、4K等高质量视频格式所要求的高的传输速率，在下一代地面数字电视广播标准中，也
将MIMO 列为重要的技术方案。
MIMO 通过空时编码等技术，利用传播信道中非相关性，可以在不额外消耗频谱与时域资源的同时，成倍地提高通信系统的信道容量，即吞吐量。在传统的
单天线通信系统中，尤其在移动通信系统中，信道中的多径被看做影响通信质量而需要用特别的技术进行处理，但在MIMO 系统中，这些具有非相关性的子径
则可以在数学算法的帮助下，得以提高整个系统的性能，换句话说，MIMO 技术利用了传播环境中的空域、时域、频域等维度，将高速无线通信推向了一个新
的级别。由于MIMO 终端其算法依赖于信道环境，也即智能地根据信道环境优化通信系统的性能，这使得信道模型成为其理论研究与实现的重要参考依据。
随之而来，对于最终的MIMO 终端性能测试与评估，无论是研发阶段，还是认证阶段，都强烈地依赖信道模型。传统无线终端一般利用空口测试
(OTA，Over-The-Air)进行最终性能评估，OTA 是利用电波暗室建立一个无反射的自由空间，以便评估该无线终端的射频及天线的整体性能;然而，正如前文所
述，为了评估多天线终端而提出的所谓MIMOOTA 技术，则必须将信道模型在实验室中进行真实的复现，使MIMO 终端测试变得真正的可重复、可控制，由于
这项技术的实现涉及到电波传播、信道建模、数字信号处理、优化算法、电磁场与微波等理论，这大大加深了其复杂性和专业性。
广播电视规划院从2011 年开始介入多天线测试方法的研究，在HWATECH公司的协助下，于2012 年至2013 年利用搭建的单簇法环境参加了国际比对测试，
由于这个测试系统从软件到硬件的思路和理论都是由我们自己提出并组织实施的[39][40]，因此对于多天线测试方法原理与实践的探索，广播电视规划院已深入
到了底层。目前，我们所提出的一些验证方法和测试用例已被国际标准组织部分地采纳到其测试方案当中[41][42][14]，结合我们两年多对多天线终端测试方法
的实际经验及参与国际标准化进程的理解，本文将详细介绍MIMO OTA 相关的技术背景、测试方法和验证方法，以及广播电视规划院在此领域的研究进展等内
容。
1、信道模型、信道模型
1.1、信道建模、信道建模
如前文所述，MIMO 终端的性能，最终被归结为基带算法与射频天线作为一个整体，在终端经历不同信道时，对时延、多普勒频移、空间相关性、极化信息
的处理能力。这决定了MIMO OTA 的一个核心内容是对现实信道的重建工作。
信道建模是一个由来已久的科研领域，出于不同的目的，人们建立了各种各样的信道模型。图1 引用了[2] 中对信道模型的归类，比较全面地概括了信道模型
的种类。在MIMO OTA 当中我们一般需要使用基于几何的随机信道模型(GSCM，Geometry based Stochastic Channel Model)， 在大量的实际信道测量工作的
基础上而建立的基于几何的信道模型，如SCM(E)[3][4], WINNER [5]，及IMT-Advanced [6]，经过试验和理论的验证，得到了广泛的认可和使用。
图1、信道模型的分类
GSCM 类信道模型的重要特点是可以将天线与传播环境分离[8]，与此相反基于相关性矩阵的信道模型则无法将信道与天线特性分离，所以原则上无法用于重
建测试终端性能的信道模型——但TGn 模型[7]虽然基于相关性矩阵，其中含有几何信息的描述，这使得在MIMO OTA 中复现TGn 变为可能。换句话说，在
MIMO OTA 多探头方法当中，信道的重建是基于各来波特性进行合成，这些来波可以具有各自的时延、多普勒频移，到达角(AoA)、离开角(AoD)等，合成后将
在终端天线单元阵列上体现出信道的空域相关性，及与信道几何特性相关的多普勒谱——芯片对这些信道特性的辨析与优化，最终将影响到终端性能。[3][4][5]
[6] 均属于此类信道模型。
1.2、SCM 与SCME 模型
提到现代MIMO 信道建模，尤其是GSCM 信道模型，我们不得不提到3GPP SCM(Spatial Channel Model)模型[3]及欧洲WINNER(Wireless World INitiative
NEw Radio)项目[5]。在2003 年3GPP TR25.996 描述的SCM 模型当中，传统的TDL(Tap Delay Line)模型被进一步解析为以簇来描述的CDL(Cluster Delay
Line)模型。SCM 中定义了6 束来波，每一束被称为一个簇(Cluster)，每一簇来波由20 个子径(sub-path)构成，每个簇除了定义了各自的AoD 和AoA 以外，还根
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