基于MIMO OTA的多天線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層性能測試

梁學(xué)俊 馬玉娟 張志華

【摘 要】通常將物理層吞吐量作為MIMO OTA測試的性能指標(biāo)，而多天線設(shè)備主要以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，網(wǎng)絡(luò)層吞吐率的測試與應(yīng)用相關(guān)性更高。從多天線傳輸模式和MIMO OTA實現(xiàn)方式等方面介紹了網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試的原理和方法，從工作層次、測試目的和影響對象等角度分析了物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量的差異，通過實驗結(jié)果對比和分析，說明以網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試作為基于用戶體驗的MIMO OTA能力評估是必要的。

MIMO OTA；多天線；網(wǎng)絡(luò)層；吞吐量

1 引言

目前，多天線技術(shù)（MIMO）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于4G LTE/LTE+、Wi-Fi設(shè)備，并將繼續(xù)用在5G產(chǎn)品中。通過在收發(fā)兩端同時配置多根天線，利用無線傳播的多徑效應(yīng)建立并行的空間傳輸通道，并運用先進的移動通信和信號處理技術(shù)，在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高無線通信的速率和可靠性。

對于MIMO，最直觀的認(rèn)識就是配置了多根天線的無線路由器，實際上大部分市售的4G LTE設(shè)備，下行使用的都是2×2 MIMO技術(shù)。對于即將到來的LTE+，將可能使用4×4乃至8×8 MIMO以便實現(xiàn)更好的用戶體驗。這意味著多天線設(shè)備內(nèi)部空間需要設(shè)計出4根乃至8根接收天線，而多個天線單元之間還需要保持較好的增益平衡性和較高的隔離度。這對于那些體積較小的設(shè)備，尤其是需要支持多種通信模式及工作頻段的設(shè)備，設(shè)計難度較大。這就需要依賴完善的天線性能測試技術(shù)得到準(zhǔn)確的反饋，來對設(shè)計方案進行高效地迭代優(yōu)化。

通常采用OTA 測試的方法，從設(shè)備整機的發(fā)射功率和接收靈敏度兩個方面考察天線性能。但對于多天線設(shè)備，其性能同時取決于收發(fā)天線、基帶芯片算法與外部信道環(huán)境，傳統(tǒng)的OTA測試方法已無法適用。必須在實驗室環(huán)境中使用空口測試方法模擬出目標(biāo)信道環(huán)境，使多天線設(shè)備性能評估變得真正地可控制、可重復(fù)，這被稱為MIMO OTA測試技術(shù)，由于涉及到電波傳播、信道建模、數(shù)字信號處理及電磁場與微波等理論，其實現(xiàn)的復(fù)雜性和專業(yè)性大大增加[1]。

2 多天線傳輸

多天線技術(shù)根據(jù)實現(xiàn)方式的不同，可分為空間復(fù)用、空間分集和波束賦形三種模式。

（1）空間復(fù)用指發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流分成多路并行低速數(shù)據(jù)流，每個數(shù)據(jù)流可進行獨立的編碼和調(diào)制，并按預(yù)先定義的映射規(guī)則將各子數(shù)據(jù)流分配到不同的天線上發(fā)射[2]。利用不同空間信道間具有獨立的衰落特性，在接收端采用最小均方誤差或者串行干擾刪除等技術(shù)，就能夠區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。這種方式下，使用相同的頻率資源可以獲取更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這意味著頻譜效率和峰值速率都得到了改善和提髙。

（2）空間分集指發(fā)送端將同一信息進行正交編碼后從多根天線上發(fā)射出去的分集方式，由于空時碼字各行各列之間滿足正交性，所以在接收端只需做簡單的線性處理，即可將信號區(qū)分出來并進行合并，從而獲得分集增益。正交編碼相當(dāng)于在發(fā)射端增加了信號的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的信號錯誤率，使傳輸可靠性和覆蓋范圍增加[3]。分集技術(shù)主要用來對抗信道衰落。

（3）波束賦形根據(jù)是否反饋信道狀態(tài)信息，可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型[4]。開環(huán)波束賦形接收端不反饋任何信道狀態(tài)信息，發(fā)送端僅通過對信道的準(zhǔn)確估計，采用多根天線產(chǎn)生一個具有指向性的波束，將信號能量集中在欲傳輸?shù)姆较?，從而提升信號質(zhì)量，降低用戶間的干擾。閉環(huán)波束賦形時，發(fā)送端通過信道反饋可以了解全部或者部分信道狀態(tài)信息，將信道矩陣進行分解得到相互正交的若干并行子信道，通過在這些并行子信道中同時傳輸不同的信息，在獲得分集增益的同時，還可以通過陣列增益以消除或抑制干擾的影響，從而大幅度提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性。

上述三種多天線傳輸模式各有優(yōu)缺點，多天線設(shè)備通常會根據(jù)自身所處的信道環(huán)境，自適應(yīng)地選擇適合的實現(xiàn)方式，比如，在低移動速度環(huán)境下采用波束形成技術(shù)比較合適，而在高移動速度環(huán)境下采用空時編碼是較好的選擇。

3 MIMO OTA測試

由上述可知，多天線設(shè)備根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)地選擇傳輸模式，這使得信道模型成為其性能測試研究和實現(xiàn)的重要參考依據(jù)。多天線設(shè)備性能的評估，最終被歸結(jié)為基帶算法與射頻天線作為一個整體，在經(jīng)歷不同信道時，對時延、多普勒頻移、空間相關(guān)性和極化信息的處理能力。這決定了MIMO OTA測試的一個核心內(nèi)容是對現(xiàn)實信道的實驗室重建工作[5]。

當(dāng)前，有三種不同的MIMO OTA測試方案正在被國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP和CTIA等進行研究及討論。

（1）多探頭法：主要原理是利用暗室消除電波的無用反射，信號通過信道仿真器經(jīng)歷預(yù)定義的信道模型后，經(jīng)空間輻射傳播到多天線設(shè)備，使之經(jīng)歷所需要的信道衰落。典型的實現(xiàn)方式如圖1所示，在電波暗室里安裝多個探頭天線，每個探頭的水平和垂直極化通道均與暗室外信道仿真器的輸出端口一一對應(yīng)相連。測試系統(tǒng)通過信道仿真器計算并控制暗室內(nèi)各個探頭天線所發(fā)射的信號，使得所有探頭輻射的信號在被測設(shè)備周圍相互疊加后與期望信道模型中下行信號具有相同的功率角度譜、多普勒頻移和空間相關(guān)性，從而達到在暗室中模擬現(xiàn)實信道環(huán)境的目的。對無線信道中多徑衰落，功率延遲以及多普勒效應(yīng)的模擬是在信道仿真器中實現(xiàn)的，空間方向性（到達角）的模擬是通過安裝在不同方向上的探頭天線以及功率配比實現(xiàn)的[6]。

這種方法要將暗室、多探頭天線、功率放大器、射頻開關(guān)及測控軟件集成起來，與信道仿真器協(xié)同工作。缺點是成本過于昂貴，系統(tǒng)校準(zhǔn)與驗證復(fù)雜。但優(yōu)點也是顯而易見的，這種方法將多天線設(shè)備經(jīng)歷的信道環(huán)境在實驗室里可控地再現(xiàn)，能實時觀察并記錄其吞吐量表現(xiàn)，這不僅是測試認(rèn)證的需要，同時也能為芯片研發(fā)、天線設(shè)計人員改善新技術(shù)、新算法提供協(xié)助。因此這種方法認(rèn)可度很高，也是3GPP和CTIA所指定的測試方案。

（2）兩步法：顧名思義，該方法包括兩個步驟。第一步在暗室中測量天線增益，產(chǎn)生三維或二維的天線方向圖。這里，被測多天線設(shè)備的芯片組必須支持測量天線單元的相對功率和相位，以便計算天線方向圖。第二步，將信號通過信道模型與天線方向圖結(jié)合在一起，利用傳導(dǎo)法進行吞吐量的測量，實現(xiàn)方式如圖2所示。這個方法對無線信道特征的模擬也是在信道仿真器中實現(xiàn)的，但對空間方向性的模擬是通過先測量天線方向圖，然后在信道仿真器中用天線方向圖和不同方向的衰落信道卷積來實現(xiàn)的。

這種方法優(yōu)點是可以在現(xiàn)有的單天線（SISO）OTA暗室上進行升級，測量系統(tǒng)搭建和校準(zhǔn)比較簡單，因此相對經(jīng)濟，3GPP對這種方法予以接受[4]，缺點為不是實時測量。另外，由于它使用的是基帶仿真技術(shù)來完成無線信道的模擬，要求基帶廠家必須支持，這就造成在被測設(shè)備的適用性上有所限制。

（3）混響室（RC）法： 混響室的概念與電波暗室正好相反，后者盡量避免信號在傳播到被測設(shè)備之前經(jīng)歷反射，而前者則通過各種方法使信號在混響室內(nèi)部盡量多地經(jīng)歷反射之后再傳達到被測設(shè)備，形成所謂的瑞利衰落。RC法利用一個金屬腔或一組足夠大的腔體提供多種駐波模式，信道模型通過金屬攪拌片、轉(zhuǎn)臺、源天線和攪頻技術(shù)合成實現(xiàn)，攪拌器和設(shè)備轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)運動使得信號傳播的功率和時間延遲在混響室內(nèi)不斷變化，模擬出豐富的均勻且各向同性的多徑衰落環(huán)境。攪拌器的攪拌速度和混響室的幾何尺寸也會直接影響信號的傳播，由此模擬一定參數(shù)可調(diào)的信道傳播模型[7]。

RC法的最大優(yōu)點是便宜，靈活性比較高。由于不需描述空間信息，測試速度快，且在測試過程中進行了統(tǒng)計平均，使得結(jié)果數(shù)據(jù)顯得穩(wěn)定。缺點是無法在不同的功率、時延及到達角的條件下直接控制發(fā)射信號，只能給出最終信號服從瑞利分布的一個統(tǒng)計模型，因此適合做定性分析而不適合做定量測量。在這種情況下，一個混響室+信道仿真器的升級方案（RC+CE）就被提出來，如圖3所示。信號在進入混響室之前，通過信道仿真器加入時延與多普勒頻移，用以彌補原單一RC法的不足。這種方法雖然在一定程度上解決了混響室在模擬信道模型時遇到的問題，但在引入信道仿真器的同時也弱化了原單一RC法在經(jīng)濟性上的優(yōu)勢，同時對于角度擴展、到達角等空間域特征，由于混響室自身的固有條件限制，仍無法復(fù)現(xiàn)，這使多天線設(shè)備在空間相關(guān)性的驗證能力，尤其是極化鑒別能力大幅下降[8]。

綜合來看，從測試有效性上多探頭法無疑是最優(yōu)且最無爭議的，但從成本考量則混響室法是最經(jīng)濟的方法，而兩步法則是處于有效性和經(jīng)濟性之間的一種折衷考慮，但由于其是基帶仿真，必須得到基帶廠家的支持，這就造成在被測設(shè)備的適用性上有所局限[9]。僅從3GPP會議提案中顯示的不同測量方法不確定度分析數(shù)據(jù)來看：多探頭法是2.65 dB，兩步法是2.08 dB，混響室+信道仿真器方法是2.59 dB，在正確實施的前提下，這三種方法的測量結(jié)果差異是有限的。

4 網(wǎng)絡(luò)層性能測試

當(dāng)前，物理層吞吐量作為MIMO OTA測試的性能指標(biāo)被廣泛接受。然而大部分多天線設(shè)備是以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量與應(yīng)用相關(guān)性更高，更貼近用戶體驗，所以基于MIMO OTA的網(wǎng)絡(luò)層吞吐率測試是一種更加契合的方案，可應(yīng)對設(shè)備形態(tài)、服務(wù)類型和用戶體驗所發(fā)生的變化。

物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試工作層次不同、目的不同：物理層速率體現(xiàn)的是無線介質(zhì)中的通信傳輸質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)層速率體現(xiàn)的是組網(wǎng)、業(yè)務(wù)優(yōu)先級調(diào)度、確認(rèn)或否認(rèn)字符（ACK/NACK）后實際應(yīng)用速率。影響對象不同：物理層速率主要受無線信道質(zhì)量影響，例如信噪比、參考信號功率等；網(wǎng)絡(luò)層速率則在物理層的基礎(chǔ)上，受到業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的影響[10]?？梢哉f，物理層吞吐量是MIMO OTA測試的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量是MIMO OTA在數(shù)據(jù)應(yīng)用時代，基于用戶體驗的測試能力擴展。

本文以多探頭法測試兩天線設(shè)備為例說明兩種測試的差異。暗室內(nèi)部分主要由縱環(huán)測量天線陣列、橫環(huán)測量天線陣列、通信天線、轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)、激光定位等裝置組成。其中縱環(huán)和橫環(huán)測量天線陣列分別用于SISO和MIMO測試，通信天線用于在被測設(shè)備與外圍測試儀表之間建立通信連接，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)用于控制被測設(shè)備水平方位角，激光定位系統(tǒng)用于輔助被測設(shè)備在暗室內(nèi)的定位。除暗室外，系統(tǒng)還包含外圍測試儀表，主要是綜測儀、信道仿真器、多通道射頻放大器、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和探頭陣列控制器等。

在物理層吞吐量測試時，利用綜測儀模擬輸出兩路下行信號進入信道仿真器，信道仿真器根據(jù)預(yù)先選擇的信道模型，對兩路輸入信號進行運算，得到經(jīng)過指定信道模型衰落后，從不同水平角度到達被測設(shè)備的下行信號，然后將計算得到的來自不同角度的下行信號通過多通道放大器，一一映射到暗室內(nèi)橫環(huán)測量天線陣列上的多根測量天線上，多根測量天線同時發(fā)射，從而在被測設(shè)備周圍模擬出所需的具有特定角度擴展、功率延遲和多普勒效應(yīng)的空間信道場景。

被測設(shè)備的單路上行信號由一根通信天線反饋到綜測儀，從而在綜測儀與被測設(shè)備之間建立起上下行通信環(huán)路。綜測儀和信道仿真器共同工作，控制下行信號功率以及下行發(fā)射信噪比。綜測儀通過下行參考測量信道所設(shè)定的數(shù)據(jù)量以及終端所反饋的ACK/NACK信息，測量被測設(shè)備在不同下行功率和信噪比條件下的吞吐量，即為物理層吞吐量。網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試則在上述基礎(chǔ)上，使用Iperf軟件建立綜測儀和被測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層連接。Iperf是一款網(wǎng)絡(luò)層測試工具，可以根據(jù)需要調(diào)整多種參數(shù)，可以報告帶寬、延遲抖動和數(shù)據(jù)包丟失。網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試時，被測設(shè)備以服務(wù)器的方式運行Iperf，測試端以客戶端方式運行Iperf，并向被測設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包，測試端讀取Iperf顯示的吞吐量，即為被測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層吞吐量。

5 測試結(jié)果對比和分析

針對多款支持2×2 MIMO的4G LTE終端樣機，在FDD Band 3頻段分別進行了物理層和網(wǎng)絡(luò)層的吞吐量測試。其中下行參考測量信道參照3GPP TS 36.521進行配置[6]，信道仿真器設(shè)置為SCME Umi城市微小區(qū)模型，測試方式采用降功率，擺放姿勢為Portrait 45。測量結(jié)果及對比如圖4至圖7所示。

由圖4中樣機1和圖5中樣機2的數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量相比物理層均存在一定差距，兩者的下降起始點基本一致，但網(wǎng)絡(luò)層吞吐量要先于物理層開始下降，且下降更快，物理層在70%功率電平下，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)性能已經(jīng)很低劣。比如：樣機1在RS-EPRE為-98 dBm/15 kHz時，物理層吞吐量測試結(jié)果約為55 Mb/s，但此時網(wǎng)絡(luò)層吞吐量幾乎已經(jīng)下降至零。由此說明，傳統(tǒng)的MIMO OTA物理層吞吐量測試結(jié)果并不能很好地匹配數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)表現(xiàn)，與用戶體驗有明顯差異。

圖6和圖7分別是三款樣機的物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試結(jié)果，比較可知，按照物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量排序，不同樣機前后次序可能不同。如圖6，樣機A在物理層測試時，吞吐量性能最優(yōu)，同時樣機B也明顯好于樣機C。但圖7顯示，在網(wǎng)絡(luò)層測試中，樣機A在大部分情況下性能最差，而樣機B和樣機C的吞吐量曲線出現(xiàn)交叉，這說明用戶的業(yè)務(wù)體驗性會與物理層吞吐量測試結(jié)果出現(xiàn)不一致。

6 結(jié)束語

多天線設(shè)備主要以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，所以需要更貼近用戶體驗的性能測試方案。本文從多天線傳輸模式和MIMO OTA實現(xiàn)方式等方面介紹了網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試的原理和方法，并以工作層次、測試目的和影響對象等角度論述了物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試的差異。通過實際實驗的對比和分析表明，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測試作為基于用戶體驗的MIMO OTA能力擴展是必要的。但文中所做的實驗僅對樣機在一個頻段一種制式下的一個擺放位置經(jīng)歷一種類型的信道衰落進行了測試，想要全面地、準(zhǔn)確地評估多天線設(shè)備的整體性能，需要系統(tǒng)的、完整的評估方案，這將是下一步研究的重點。

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