面向毫米波大規(guī)模天線的OTA性能測(cè)試方法研究

孫浩 吳翔 潘沖

(中國(guó)信息通信研究院移動(dòng)通信創(chuàng)新中心，北京 100191)

0 引言

鑒于毫米波頻段擁有海量頻譜資源，在5G移動(dòng)通信中對(duì)毫米波的研究引起了科研人員的廣泛關(guān)注。預(yù)計(jì)毫米波頻段的可用帶寬應(yīng)比當(dāng)前Sub-6 GHz頻段的帶寬有極大提高，可以滿足未來對(duì)數(shù)據(jù)高速率傳輸?shù)囊?。然而，與Sub-6 GHz頻段相比，毫米波的穿透損耗和散射損耗更大，使得信號(hào)在毫米波信道傳輸過程中受到更高的路徑損耗和傳輸阻塞[1]。為了克服巨大的路徑損耗，以保證較大的接收功率，毫米波天線應(yīng)提供更大的增益以確保系統(tǒng)較高的信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio，SINR)。而大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)作為5G通信的關(guān)鍵技術(shù)，通過布置大規(guī)模天線陣可以有效提高通信鏈路的可靠性，顯著補(bǔ)償毫米波信道嚴(yán)重的路徑損耗[1]，進(jìn)而發(fā)揮毫米波頻段的優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)階段，為了促進(jìn)毫米波天線設(shè)備的研發(fā)和部署，需要在毫米波頻段下對(duì)大規(guī)模MIMO設(shè)備的天線和基帶性能進(jìn)行評(píng)估。因此，研究一種準(zhǔn)確可控的性能評(píng)估方法對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO設(shè)備的研發(fā)十分重要。

用于評(píng)估3G和4G多天線設(shè)備的傳導(dǎo)測(cè)試方法已無法用于評(píng)估毫米波大規(guī)模MIMO天線設(shè)備的性能[2]。主要原因有：配備數(shù)十根乃至數(shù)百根天線陣元的大規(guī)模天線設(shè)備是一個(gè)高度集成的單元，不再提供用于傳導(dǎo)測(cè)試的天線端口；評(píng)估大規(guī)模多天線設(shè)備的性能需考慮設(shè)備的波束能力，如波束賦形、追蹤等，而傳導(dǎo)測(cè)試直接將射頻線纜連接到多天線設(shè)備的天線端口上，無法反映出多天線設(shè)備的波束能力。綜上兩方面原因，鑒于傳導(dǎo)方法對(duì)測(cè)試大規(guī)模天線設(shè)備的局限性以及毫米波大規(guī)模天線設(shè)備自身的性能要求，在對(duì)毫米波多天線設(shè)備進(jìn)行性能評(píng)估時(shí)將采用空口測(cè)試方法，其輻射天線直接用作測(cè)試接口。

毫米波設(shè)備的輻射測(cè)試對(duì)象主要為設(shè)備的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。發(fā)射機(jī)測(cè)量主要關(guān)注輸出功率、調(diào)制能力與非期望輻射等。接收機(jī)測(cè)量，主要關(guān)注接收信號(hào)解調(diào)能力測(cè)試。對(duì)無線資源管理的測(cè)試，主要關(guān)注初始系統(tǒng)接入、連接配置、移動(dòng)性和切換、波束捕獲、細(xì)化和跟蹤等[3]。本文主要關(guān)注的是對(duì)毫米波多天線設(shè)備的系統(tǒng)性能測(cè)試，即對(duì)系統(tǒng)吞吐量的評(píng)估。

1 輻射測(cè)試方法及可行性分析

1.1 混響室法

混響室是一個(gè)封閉的金屬腔體，內(nèi)部通常配備有金屬攪拌器和轉(zhuǎn)臺(tái)，可以用來表征單天線系統(tǒng)的特征，如總輻射功率(Total Radiated Power，TRP)和總輻射靈敏度(Total Radiated Sensitivity，TRS)。通過混響室法可以在金屬腔內(nèi)模擬具有統(tǒng)計(jì)各向同性的空間角分布和信道為瑞利衰落的多徑環(huán)境。然而，混響室法自身存在一定的局限性：首先，該方法對(duì)信道功率時(shí)延譜(Power Delay Profile，PDP)和多普勒擴(kuò)展的模擬是有限的，需要結(jié)合信道模擬器才能得到期望的PDP和多普勒擴(kuò)展[5]；其次，混響室內(nèi)的統(tǒng)計(jì)各向同性決定了重構(gòu)的信道具有相等的垂直極化和水平極化特征，所以該方法無法控制信道的空間角分布和交叉極化比(Cross-Polarization Power Ratio，XPR)，即無法用于極化分集的場(chǎng)景；另外，毫米波信道的傳播路徑主要由少數(shù)幾條構(gòu)成[3]，使得真實(shí)目標(biāo)信道在接收天線空間域的方向性并非各向同性，而在暗室中模擬的信道環(huán)境并不符合這一特點(diǎn)。綜上所述，該方法不能在空間域內(nèi)按照目標(biāo)信道模型的特征對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確可控的重構(gòu)。所以，混響室法并不適用于毫米波系統(tǒng)的OTA性能測(cè)試。

1.2 輻射兩步法

輻射兩步法是一種基于暗室的測(cè)量方法。該方法由兩個(gè)階段組成：在第一階段中，通過常規(guī)單輸入單輸出(Single-Input Single-Output，SISO)OTA暗室獲得DUT天線單元的方向圖信息；第二階段將測(cè)量到的輻射方向圖嵌入到信道模擬器的空間信道模型中，進(jìn)而生成衰落信號(hào)以便被暗室中的DUT接收。包含DUT天線陣子方向圖的空間衰落信號(hào)通過OTA天線輻射至DUT天線，并且每個(gè)DUT天線對(duì)應(yīng)一個(gè)OTA天線。通過該方法可以測(cè)量出OTA天線與DUT天線之間的傳輸矩陣，以計(jì)算逆?zhèn)鬏斁仃噷?duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行預(yù)編碼。最初兩步法是采用線纜的傳導(dǎo)連接方式，故而稱之為傳導(dǎo)兩步法。然而在使用過程中該方法無法對(duì)待測(cè)設(shè)備天線陣子間的自干擾進(jìn)行評(píng)估，所以文獻(xiàn)[6]將其修正為輻射測(cè)試方式，稱為輻射兩步法。相比于傳導(dǎo)兩步法，輻射兩步法不僅考慮到了DUT天線間的自干擾，并且在評(píng)估系統(tǒng)吞吐量的過程中無需對(duì)待測(cè)設(shè)備進(jìn)行拆解，保證了待測(cè)設(shè)備的完整性和測(cè)試方法的便利性。

輻射兩步法是一種很有應(yīng)用價(jià)值的靜態(tài)毫米波天線測(cè)試方法，目前第三代合作伙伴計(jì)劃(the 3rd Generation Partnership Project，3GPP)正在對(duì)有關(guān)工作進(jìn)行討論。然而，由于無法將第一階段得到的被測(cè)天線方向圖根據(jù)信道的變化及時(shí)做出改變以應(yīng)用到第二階段中[4]，所以該方法并不適用于動(dòng)態(tài)信道的OTA測(cè)試。并且在輻射兩步法中，OTA天線的數(shù)量必須大于或等于DUT天線單元的數(shù)量，致使測(cè)試系統(tǒng)成本較高。綜上，采用輻射兩步法評(píng)估配備大規(guī)模天線的毫米波系統(tǒng)的性能是難以實(shí)現(xiàn)的。

1.3 多探頭暗室法

無線信道中具有相近時(shí)延和離開角/到達(dá)角的多徑分量可歸為同一簇。在多探頭暗室法(Multi-Probe Anechoic Chamber，MPAC)中，將信道衰落模擬器生成的每一個(gè)簇通過多個(gè)探頭輻射出去，從而在暗室測(cè)試域內(nèi)模擬所需的輻射傳播環(huán)境。MPAC主要包括預(yù)衰落信號(hào)合成法(Prefaded Signals Synthesis，PFS)和平面波合成法(Plane Wave Synthesis，PWS)。通過這兩種方法均可以在暗室測(cè)試域內(nèi)生成統(tǒng)計(jì)特性相同的輻射傳播環(huán)境。然而這兩種方法的實(shí)現(xiàn)原理并不相同，PWS方法注重對(duì)簇內(nèi)每條子徑進(jìn)行重構(gòu)，是對(duì)具有特定到達(dá)角、多普勒頻移和幅度的單一平面波進(jìn)行合成，探頭權(quán)重為復(fù)數(shù)；PFS方法則針對(duì)簇的整體，側(cè)重于重構(gòu)每一個(gè)簇的空間特征，且添加的探頭權(quán)重為實(shí)數(shù)。所以，采用PFS信道重構(gòu)方法，基本合成對(duì)象為單一的簇，其主要特征參數(shù)包括空間相關(guān)性、時(shí)延功率譜、多普勒頻譜、交叉極化比等。

相比于PWS方法，PSF方法對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)鏈路的相位一致性要求較低。然而，由于大規(guī)模MIMO設(shè)備的天線單元眾多且射頻器件自身受非線性效應(yīng)的影響，很難對(duì)每個(gè)探頭天線進(jìn)行嚴(yán)格的相位校準(zhǔn)。所以，在MPAC方案中，PFS法成為模擬毫米波目標(biāo)信道的主流方法。但是，為了產(chǎn)生一個(gè)足夠大的測(cè)試域以測(cè)試具有更大口徑的毫米波大規(guī)模天線設(shè)備的性能，需要增加OTA天線和相應(yīng)的信道模擬器通道的數(shù)量，這將增大測(cè)試系統(tǒng)的成本。因此，如何基于PFS方案準(zhǔn)確重構(gòu)毫米波信道及合理構(gòu)建OTA測(cè)試系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)。

圖1 基于帶寬合并的毫米波信道模擬器

2 毫米波信道特征及其對(duì)OTA測(cè)試系統(tǒng)的影響

2.1 大帶寬

相比于Sub-6 GHz信道，毫米波信道具有更大的帶寬。信道模擬器作為無線通信測(cè)試的重要組成單元，通常用于產(chǎn)生發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的無線信道，即真實(shí)無線傳播環(huán)境可通過在信道模擬器中進(jìn)行數(shù)學(xué)建模以完成物理實(shí)現(xiàn)。因此，信道模擬器被視為OTA測(cè)試系統(tǒng)必不可少的試驗(yàn)設(shè)備。然而，目前可商用信道模擬器通常為產(chǎn)生Sub-6 GHz信道而設(shè)計(jì)，可支持帶寬有限。例如，文獻(xiàn)[5]分別描述了最大支持帶寬為50 MHz、100 MHz和160 MHz的商用Sub-6 GHz信道模擬器。但為了構(gòu)建毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)，迫切需要設(shè)計(jì)一款適用于毫米波頻段的信道模擬器。為了解決該問題，文獻(xiàn)[7]介紹了如何基于現(xiàn)有的Sub-6 GHz信道模擬器生成毫米波信道模擬器，以實(shí)現(xiàn)從Sub-6 GHz頻段到27.5～28.5 GHz的毫米波頻段的信道仿真。具體原理如圖1所示，混頻器和本振(LO)將信號(hào)從某個(gè)頻率范圍變換到另一個(gè)頻率范圍。為了擴(kuò)展系統(tǒng)帶寬，信號(hào)在信道模擬器中被并行化處理。利用功率分配器、信道模擬器中的多個(gè)衰落單元和功率合成器，可以實(shí)現(xiàn)頻帶合并，進(jìn)而通過上變頻以生成毫米波射頻信號(hào)?？梢钥吹剑瑸榱水a(chǎn)生毫米波信道，需要對(duì)OTA測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)以滿足毫米波信道大帶寬的需求。

2.2 稀疏性

相比于Sub-6 GHz信道，通過多探頭合成毫米波信道時(shí)所需要的探頭數(shù)量相對(duì)較少。這是因?yàn)閭鞑バ诺朗窍∈璧?，其中主要簇的?shù)量相對(duì)有限且具有高度的空間選擇性。通過測(cè)量毫米波信道，發(fā)現(xiàn)非視線場(chǎng)景中簇的數(shù)量通常為6～10條，并且簇內(nèi)部子徑的數(shù)量較少，可以忽略簇的角度擴(kuò)展[8-9]。在Sub-6 GHz頻段的OTA測(cè)試系統(tǒng)中，可通過空間相關(guān)函數(shù)間接評(píng)估重構(gòu)信道的角度功率譜(Power Angle Spectrum，PAS)。然而毫米波天線的方向性更強(qiáng)且毫米波信道高度稀疏，此時(shí)仍采用空間相關(guān)性準(zhǔn)則評(píng)估OTA測(cè)試系統(tǒng)模擬的毫米波信道的性能將是不準(zhǔn)確的[4]。所以，文獻(xiàn)[10-11]提出空間譜理論來評(píng)估重構(gòu)信道的空間特征，而非使用間接性的空間相關(guān)性準(zhǔn)則。待測(cè)多天線設(shè)備通過波束掃描探頭輻射的電磁信號(hào)直接得到重構(gòu)信道的空間譜，在評(píng)估重構(gòu)信道空間特征精度的同時(shí)以反映大規(guī)模多天線設(shè)備的波束賦形能力。另外，鑒于毫米波信道簇內(nèi)角度擴(kuò)展很小且可以忽略，簇的概念被進(jìn)一步弱化。在OTA測(cè)試進(jìn)行探頭選取時(shí)需要考慮該特征造成的影響，以盡可能減少探頭天線的使用。

2.3 動(dòng)態(tài)特征

與Sub-6 GHz信道相比，毫米波信道具有高度的動(dòng)態(tài)特征[12]。其主要原因有：在毫米波頻段下，波長(zhǎng)很短，很小的運(yùn)動(dòng)都會(huì)改變多徑干涉的結(jié)構(gòu)；天線陣列和波束形成器是毫米波設(shè)備的重要組成部分，在鏈路建立過程中，波束賦形必不可少，且自適應(yīng)波束形成操作本身要求無線信道具有高度動(dòng)態(tài)性；路徑增益對(duì)用戶或其他障礙物的阻塞非常敏感，進(jìn)而導(dǎo)致不同多徑分量所觀測(cè)到的功率快速變化。綜上所述，準(zhǔn)確重構(gòu)動(dòng)態(tài)信道環(huán)境，對(duì)評(píng)估毫米波頻段的大規(guī)模MIMO設(shè)備真實(shí)的端到端性能十分重要。對(duì)于毫米波信道，目標(biāo)信道角度功率譜應(yīng)該是時(shí)變的，且在重構(gòu)毫米波信道時(shí)探頭的權(quán)重必須根據(jù)信道的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)更新?？紤]到動(dòng)態(tài)毫米波信道較快的變化速度，計(jì)算探頭權(quán)重的方法應(yīng)該是快速、高效的。文獻(xiàn)[12]描述了一種通過模擬信道空間譜計(jì)算探頭權(quán)重的方法，該方法無須進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算且計(jì)算速度較快，但缺點(diǎn)是需要對(duì)每個(gè)信道狀態(tài)下的空間譜進(jìn)行計(jì)算。所以，研究一種靈活高效的重構(gòu)毫米波信道的探頭加權(quán)方法將十分有必要。

圖2 基于開關(guān)單元的毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)

2.4 球面波前和非平穩(wěn)性

測(cè)量毫米波頻段下大規(guī)模MIMO信道發(fā)現(xiàn)，到達(dá)大型天線陣列的電磁信號(hào)將是球面波前且非平穩(wěn)的[13]。其原因：第一，在毫米波通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的距離可能小于Rayleigh距離，不滿足等效平面波前近似的遠(yuǎn)場(chǎng)條件；第二，某些簇在整個(gè)陣列上是不完全可見的，即大規(guī)模天線陣列的每個(gè)天線單元可能觀測(cè)到屬于自己的一組簇；第三，天線陣的功率不均衡和Rician分布中K因子發(fā)生變化?；谶@三個(gè)因素，毫米波信道不同于Sub-6 GHz信道，對(duì)暗室中重構(gòu)的信道特征提出了更復(fù)雜的要求。除了電磁波球面波前，陣列非平穩(wěn)性是指從一個(gè)天線陣元到下一個(gè)天線陣元發(fā)生出現(xiàn)或消失簇的現(xiàn)象，這意味著不同天線陣元可觀察到不同的簇集。所以，不同天線單元觀測(cè)到的簇的參數(shù)不一樣，如功率和延遲偏移。因此，OTA暗室重構(gòu)毫米波大規(guī)模MIMO信道需要考慮真實(shí)外場(chǎng)信道特征，即確保電磁信號(hào)到達(dá)DUT天線陣子是球面波前且非平穩(wěn)的。

2.5 簇的生滅

通過對(duì)毫米波信道進(jìn)行實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，毫米波信道中存在簇的生滅現(xiàn)象，即不同時(shí)刻簇的出現(xiàn)或消失[13]。不難想象，毫米波信道的這種現(xiàn)象將對(duì)多天線設(shè)備的OTA性能測(cè)試帶來巨大挑戰(zhàn)，即在OTA暗室模擬毫米波動(dòng)態(tài)信道過程中，要求信道模擬器重構(gòu)簇的生滅過程，對(duì)信道模擬器的調(diào)控工作提出了較高要求，同時(shí)也將對(duì)毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)帶來重大影響。除此之外，探頭天線的位置/權(quán)重也需要根據(jù)簇的生滅做出實(shí)時(shí)改變，以適應(yīng)簇的生滅特性。

3 毫米波大規(guī)模天線OTA測(cè)試系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)模型

3.1.1 基于開關(guān)結(jié)構(gòu)的毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)

文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[12]提出了一個(gè)配備開關(guān)單元的三維扇形MPAC系統(tǒng)以用于測(cè)試毫米波天線設(shè)備的性能。該系統(tǒng)如圖2所示，由一個(gè)覆蓋有吸波材料的暗室、若干個(gè)分布在扇形探頭墻上的OTA天線、一個(gè)可將信道模擬器輸出端口有選擇性接入到OTA天線的開關(guān)單元、一個(gè)毫米波信道模擬器和一個(gè)作為DUT的毫米波基站組成。以上行通信鏈路為例介紹其工作原理：首先，用戶模擬器生成一個(gè)測(cè)試信號(hào)，該信號(hào)被饋送到毫米波信道模擬器。信道模擬器可用于生成多徑信道環(huán)境，包括路徑延遲、多普勒擴(kuò)展等。進(jìn)而，信道模擬器生成的信道脈沖響應(yīng)與測(cè)試信號(hào)進(jìn)行卷積。為了在DUT側(cè)準(zhǔn)確模擬目標(biāo)信道的空間特征，需要將信道模擬器產(chǎn)生的衰落信號(hào)映射到恰當(dāng)?shù)腛TA天線上以在暗室中生成輻射信號(hào)。所以，放置在測(cè)試域的DUT可在預(yù)期的信道環(huán)境中運(yùn)行工作，且該方法是可控、可重復(fù)的。

開關(guān)電路作為OTA測(cè)試系統(tǒng)重構(gòu)毫米波信道的關(guān)鍵單元，通常假定其可在每個(gè)時(shí)刻進(jìn)行自由切換，而不產(chǎn)生任何失真。實(shí)際上，重構(gòu)動(dòng)態(tài)毫米波信道環(huán)境對(duì)機(jī)械繼電器開關(guān)提出了較高的性能要求。具體地，文獻(xiàn)[14]已通過高性能可重構(gòu)射頻(Radio Frequency，RF)電路對(duì)機(jī)械繼電器開關(guān)進(jìn)行了性能測(cè)試，其主要存在的問題有：第一，從低頻變化到高頻，開關(guān)隔離度逐漸降低，設(shè)備的插入損耗也隨之增加；第二，在開關(guān)切換過程中，斷開任何空閑的傳輸線都可能在微波范圍內(nèi)發(fā)生諧振，該諧振可將電能反射到工作中的RF電源，進(jìn)而將其損壞；第三，機(jī)械開關(guān)在動(dòng)態(tài)信道的每個(gè)時(shí)刻只使用了探頭墻上部署的部分探頭天線，造成硬件資源浪費(fèi)?；谝陨显?，為了準(zhǔn)確評(píng)估毫米波多天線設(shè)備的性能，實(shí)際OTA測(cè)試對(duì)開關(guān)單元提出了較高的設(shè)計(jì)要求，帶來實(shí)際應(yīng)用的困難和挑戰(zhàn)。具體地，文獻(xiàn)[15]已對(duì)基于開關(guān)單元的毫米波OTA信道重構(gòu)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析描述。

3.1.2 基于調(diào)幅調(diào)相單元的毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)

鑒于機(jī)械繼電器開關(guān)存在的以上問題，文獻(xiàn)[15]提出了一種基于新型調(diào)幅調(diào)相(Amplitude-and-Phase Modulation，APM)單元的OTA測(cè)試系統(tǒng)以用于評(píng)估毫米波大規(guī)模MIMO設(shè)備的性能。與機(jī)械開關(guān)相比，APM單元的優(yōu)點(diǎn)可以概括為：第一，輸入端口和輸出端口之間的交叉鏈路相互獨(dú)立，可以對(duì)每一條鏈路的復(fù)權(quán)值進(jìn)行數(shù)字調(diào)整，且調(diào)整過程中不存在諧振現(xiàn)象；第二，在數(shù)字切換過程中只需改變射頻通道的幅度和相位，不存在機(jī)械開關(guān)在切換過程中的干擾問題；第三，附加的射頻線將會(huì)造成不同鏈路的幅度和相位存在誤差，而APM單元具有自動(dòng)校準(zhǔn)功能可以平衡射頻線引起的誤差；第四，時(shí)鐘校準(zhǔn)是APM單元的另一個(gè)重要功能，可以做到與信道模擬器同步，在重構(gòu)動(dòng)態(tài)毫米波信道過程中可精確調(diào)整APM單元內(nèi)部的權(quán)值。

基于APM單元的MPAC測(cè)試系統(tǒng)如圖3所示，DUT被放置在暗室測(cè)試域的中心位置，探頭墻上的每一點(diǎn)到測(cè)試域中心的距離均為R。使用全連接的APM單元代替開關(guān)設(shè)備，通過APM單元對(duì)每一路輸入輸出通道的幅度和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。在上行通信鏈路中，APM單元的每個(gè)輸出口連接到每一個(gè)探頭天線，信道模擬器的每個(gè)輸出口連接到APM單元的輸入端口，系統(tǒng)末端連接用戶模擬器。需要注意的是，為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，信道模擬器的每一輸出口只輸入單個(gè)簇的沖激響應(yīng)，即簇的數(shù)量不應(yīng)大于信道模擬器輸出端口的數(shù)量[15]?？紤]到毫米波信道簇的數(shù)量通常為8～12條[16]，所以該約束限制對(duì)重構(gòu)非視距毫米波信道是十分合理的。此外，用于合成目標(biāo)簇的OTA天線分別映射有獨(dú)立的衰落系數(shù)序列，且服從相同分布。在此需要強(qiáng)調(diào)的是，在對(duì)APM單元的幅度相位進(jìn)行調(diào)制時(shí)精度誤差可能會(huì)影響模擬信道的精度，需要進(jìn)一步研究該誤差帶來的影響并加以消除。此外，由于AMP單元的引入，勢(shì)必會(huì)給測(cè)試系統(tǒng)引入新的誤差以及不確定度。因此，在對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證的時(shí)候，除了對(duì)測(cè)試區(qū)域內(nèi)部的時(shí)間相關(guān)性、空間相關(guān)性等指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證之外[17]，也需要對(duì)APM單元的動(dòng)態(tài)幅相調(diào)制能力進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 毫米波信道重構(gòu)評(píng)估準(zhǔn)則

3.2.1 空間相關(guān)性準(zhǔn)則

通過空間相關(guān)性可用來表征入射信號(hào)達(dá)到不同接收天線之間的相似性，能夠反映出天線之間的空間特征[18]。所以，評(píng)估OTA重構(gòu)信道的精度通常選取空間相關(guān)性作為度量準(zhǔn)則，最小化目標(biāo)信道和模擬信道之間的空間相關(guān)性偏差方程進(jìn)而確定探頭權(quán)重。然而，空間相關(guān)性將無法作為度量準(zhǔn)則以用于毫米波大規(guī)模天線的OTA測(cè)試系統(tǒng)，主要原因如下：首先，相比于UE終端，大規(guī)模多天線設(shè)備通常具有更大的物理尺寸，進(jìn)而需要較大的測(cè)試域且在測(cè)試域內(nèi)采集更多的空間位置。而如果空間采樣數(shù)量有限，不同PAS的簇將產(chǎn)生相近的空間相關(guān)性[18]，造成信道重構(gòu)的不準(zhǔn)確。其次，在評(píng)估毫米波多天線設(shè)備的性能過程中不僅需要對(duì)重構(gòu)的目標(biāo)信道進(jìn)行準(zhǔn)確度量，同時(shí)需要反映大規(guī)模多天線陣列的特性，如波束的捕獲、跟蹤能力等。再次，考慮到多天線系統(tǒng)更具方向性且毫米波信道的高度稀疏性，空間相關(guān)性與PAS將不完全相關(guān)，所以該準(zhǔn)則無法準(zhǔn)確反映重構(gòu)的毫米波信道性能[4]?；谝陨显颍枰芯啃碌男诺乐貥?gòu)評(píng)估準(zhǔn)則，在評(píng)估模擬的動(dòng)態(tài)毫米波信道的同時(shí)能夠反映大規(guī)模多天線設(shè)備的波束賦形能力。

圖3 基于APM單元的毫米波測(cè)試系統(tǒng)原理圖

3.2.2 空間譜準(zhǔn)則

由于UE較小的陣列孔徑和有限的碼本集，其通常不具備波束控制功能。而在毫米波頻段對(duì)大規(guī)?；咎炀€陣的控制通常使用混合波束賦形技術(shù)，其中天線陣列被分成若干個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列連接到一個(gè)RF端口[3]。子陣列的可調(diào)相位可由模擬加權(quán)向量進(jìn)行調(diào)控，以產(chǎn)生一組預(yù)定義的固定天線波束進(jìn)而覆蓋目標(biāo)區(qū)域。所以，準(zhǔn)確評(píng)估毫米波天線設(shè)備的波束賦形能力是選取OTA測(cè)試系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要依據(jù)。鑒于毫米波信道的稀疏性以及需要對(duì)大規(guī)模MIMO設(shè)備的波束賦形能力進(jìn)行評(píng)估，基于空間譜的信道重構(gòu)度量準(zhǔn)則已經(jīng)在文獻(xiàn)[10-11]中進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。通過該度量準(zhǔn)則不僅能夠直接表征重構(gòu)目標(biāo)簇的PAS，同時(shí)能反映出DUT的空間分辨率。該準(zhǔn)則利用經(jīng)典Bartlett波束形成算法和虛擬的DUT陣列來估計(jì)重構(gòu)信道的PAS[19]，其原理是通過DUT陣列的有限孔徑過濾傳播信道的空間角分布。具體來講，空間譜是對(duì)天線陣列所觀測(cè)到的信號(hào)功率的量度。在目標(biāo)簇方向上得到的空間譜為陣列天線產(chǎn)生的最大接收功率，而空間譜在其他方向的值可以理解為陣列在目標(biāo)簇方向產(chǎn)生的旁瓣對(duì)其他方向的干擾。此外，由于空間譜可用于對(duì)目標(biāo)信號(hào)的DoA估計(jì)，模擬空間譜的精度同時(shí)決定了DoA估計(jì)的精度，這對(duì)評(píng)估大規(guī)模MIMO天線陣列的性能至關(guān)重要。因此，通過優(yōu)化目標(biāo)信道空間譜與模擬信道空間譜之間的偏差方程可以提高信道重構(gòu)和DoA估計(jì)的精度。

3.3 探頭權(quán)重的快速計(jì)算

為了在測(cè)試域內(nèi)重構(gòu)目標(biāo)信道的PAS，需要將目標(biāo)信道的每個(gè)簇依次映射到一組有源探頭天線上。映射是通過將簇的衰落信號(hào)輻射到每個(gè)活躍的探頭天線上并通過設(shè)置探頭的權(quán)重進(jìn)行執(zhí)行。對(duì)于動(dòng)態(tài)毫米波信道，目標(biāo)信道的PAS是時(shí)變的，必須根據(jù)信道的變化實(shí)時(shí)更新探頭天線的權(quán)值。因此，計(jì)算探頭權(quán)重的方法也應(yīng)該是快速高效的。文獻(xiàn)[12]介紹了一種較為有效的方法，旨在最小化目標(biāo)信道對(duì)應(yīng)的空間譜和DUT陣列所觀察到的模擬信道空間譜之間的偏差。這種權(quán)重計(jì)算方法在確定每個(gè)時(shí)刻的探頭權(quán)重時(shí)無需做任何數(shù)值優(yōu)化，計(jì)算復(fù)雜度較低。但其缺點(diǎn)是首先需要計(jì)算出任意時(shí)刻的空間譜，然后對(duì)其進(jìn)行分解以求出探頭權(quán)重。該方法適用于信道特征變化較慢的動(dòng)態(tài)信道，但對(duì)于快速變化的毫米波信道環(huán)境，需要不斷計(jì)算每一時(shí)刻的空間譜以確定探頭權(quán)重，使得計(jì)算量增大。所以，構(gòu)建一個(gè)探頭權(quán)重隨動(dòng)態(tài)信道變化而隨之改變的表達(dá)式，即權(quán)重與每一時(shí)刻的信道特征參數(shù)直接相關(guān)，可直接由任意時(shí)刻的信道參數(shù)確定待定的探頭權(quán)重，具有重要意義。

4 結(jié)束語

本文以毫米波大規(guī)模天線的 OTA測(cè)試為研究目標(biāo)，旨在實(shí)現(xiàn)毫米波信道的準(zhǔn)確重構(gòu)以評(píng)估毫米波設(shè)備的性能。首先，介紹了不同輻射測(cè)試方法的原理及用來評(píng)估毫米波多天線設(shè)備存在的優(yōu)缺點(diǎn)。其次，分別對(duì)毫米波信道特有的特征，即大帶寬、稀疏性、動(dòng)態(tài)性、簇的生滅和球面波前和非平穩(wěn)性進(jìn)行了介紹，進(jìn)而分析其對(duì)構(gòu)建毫米波OTA測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)和信道重構(gòu)算法的影響，著重討論了幾個(gè)重點(diǎn)需要解決的問題，如支持大帶寬的毫米波信道模擬器的實(shí)現(xiàn)、有效探頭位置的選取、毫米波信道動(dòng)態(tài)特征的復(fù)現(xiàn)以及毫米波信道評(píng)估準(zhǔn)則的選取等。最后，鑒于毫米波信道的稀疏性及需要評(píng)估大規(guī)模天線陣的波束賦形能力，提出空間譜將是一種更有效的毫米波信道評(píng)估準(zhǔn)則，而非傳統(tǒng)OTA測(cè)試中通常采用的空間相關(guān)性準(zhǔn)則。