張麗云，肖征榮，劉澍

（1.中國(guó)聯(lián)通研究院，北京 100032；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076）

1 MIMO天線概述及其現(xiàn)狀

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)成為大眾生活中不可缺少的通訊工具之一。日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，使用戶對(duì)無線通信系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸質(zhì)量等提出了很高的要求。為了滿足用戶的要求，目前最有效的方式就是用最少的頻率資源傳輸更多的信息并減少其他無線電干擾。MIMO技術(shù)是LTE無線移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)之一，受到了越來越廣泛的關(guān)注，天線作為MIMO通信系統(tǒng)中的重要組成部分，在整個(gè)終端系統(tǒng)中起到了不可小視的作用。

相比于傳統(tǒng)手機(jī)天線，LTE手機(jī)MIMO天線設(shè)計(jì)更加困難，這是因?yàn)樵贚TE手機(jī)中，一般會(huì)包含主天線、分集天線（輔天線）、WLAN天線、GPS天線、NFC天線等，由于LTE手機(jī)天線可利用的空間十分有限，將主、輔天線都集成到有限的空間中，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的互耦，這會(huì)影響天線系統(tǒng)的性能，導(dǎo)致MIMO天線輻射功率減小。因此設(shè)計(jì)一款LTE手機(jī)天線比設(shè)計(jì)一款單天線手機(jī)困難的多。

2 MIMO天線技術(shù)

目前，LTE多天線終端只在下行接收情況下才會(huì)讓主、輔天線同時(shí)工作，從而提高終端數(shù)據(jù)下載量，而在上行發(fā)射時(shí)，依舊只有主天線工作。也就是說現(xiàn)階段的多天線終端只能做到多天線接收與單天線發(fā)射（MISO）。

傳統(tǒng)終端天線是根據(jù)天線原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，加上設(shè)計(jì)工程師自身的經(jīng)驗(yàn)，通過建模仿真、數(shù)值計(jì)算來確定天線各參數(shù)的初始值，再根據(jù)初始值制作初始實(shí)物天線，通過無源測(cè)試對(duì)天線的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。而對(duì)手機(jī)MIMO天線而言，由于MIMO天線間的互耦無法根據(jù)公式事先計(jì)算得到，所以使用建模計(jì)算這種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是行不通的；其次，由于MIMO天線系統(tǒng)的性能是多徑衰弱條件下，傳輸環(huán)境和天線的輻射、接收性能來增加系統(tǒng)容量的。因此對(duì)于MIMO天線的性能，需要對(duì)傳播環(huán)境進(jìn)行研究；另外，現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景中衰落路徑是十分復(fù)雜的。

天線系統(tǒng)和信道配置原理圖如圖1所示：

圖1 天線系統(tǒng)和信道配置

LTE終端中MIMO天線性能好壞會(huì)影響終端傳輸?shù)目煽啃耘c有效性。因此，有必要針對(duì)終端MIMO天線性能進(jìn)行評(píng)估，這樣可以為終端MIMO天線設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3 MIMO天線測(cè)試

（1）傳統(tǒng)天線測(cè)試參數(shù)

傳統(tǒng)單天線有源測(cè)試指標(biāo)主要對(duì)單天線進(jìn)行發(fā)射和接收性能評(píng)估測(cè)試，其中發(fā)射特性為總?cè)蜉犐涔β剩═otal Isotropic Radiated Power），接收特性為總?cè)蚪邮侦`敏度（Total Isotropic Receiving Sensitivity），這2項(xiàng)指標(biāo)分別表征了整個(gè)移動(dòng)終端設(shè)備進(jìn)行發(fā)射和從基站接收信號(hào)的能力強(qiáng)弱，這2項(xiàng)指標(biāo)可以有效評(píng)估單天線終端在實(shí)際使用狀態(tài)中的收發(fā)性能。

（2）MIMO天線主要測(cè)試參數(shù)

對(duì)于MIMO天線OTA測(cè)試來說，目前還沒有統(tǒng)一的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，MIMO天線OTA測(cè)試與單入單出SISO天線測(cè)試相比，除了測(cè)試單天線發(fā)射和接收性能外，主要增加了在不同的衰落情況下，MIMO系統(tǒng)的吞吐量。但在測(cè)試過程中干擾源的出處是很難確定的，干擾源究竟是來自外部環(huán)境，還是內(nèi)部干擾，因?yàn)橹挥写_定了干擾源的出處，才能準(zhǔn)確地評(píng)估終端的吞吐量。

4 測(cè)試方案

目前用于終端MIMO OTA測(cè)試的方案有三、四種，本文只對(duì)其中的2種方法加以介紹，這2種方案都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)，且每種測(cè)試方法都需要相應(yīng)的改進(jìn)方案。第1種測(cè)試方法是混響室測(cè)試方法（reverberation chamber method），第2種測(cè)試方法是兩階段法（two-stage method）。下面對(duì)這2種測(cè)試方案進(jìn)行分析。

4.1 混響室測(cè)試方法

混響室測(cè)試方法是一種新型的測(cè)試方案，混響室是一個(gè)帶有攪拌器的金屬腔體，它通過攪拌，在被測(cè)設(shè)備（DUT）周圍形成隨機(jī)的均勻多徑場(chǎng)，產(chǎn)生來自各方向的均勻分布場(chǎng)。由于混響室提供了充足的多徑環(huán)境，從而成為了評(píng)估多天線性能的理想方法之一。

將被測(cè)器件放入腔體中，確保它產(chǎn)生的全部輻射都保留在腔體里，通過使用可動(dòng)金屬板（通常為旋轉(zhuǎn)槳葉的形態(tài)），可以改變腔體內(nèi)駐波模式的邊界效應(yīng)條件。這樣可以保證無論輻射向哪個(gè)方向發(fā)射，都可以檢測(cè)到輻射功率。

其中攪模技術(shù)包括：

（1）由2個(gè)正交金屬片構(gòu)成的機(jī)械攪拌器，通過將金屬片緣腔體的整個(gè)高度和深度移動(dòng)可以獲得大量數(shù)目的獨(dú)立場(chǎng)分布。

（2）平臺(tái)攪動(dòng)，與待測(cè)物位置固定的狀況比較，通過讓待測(cè)物在腔體內(nèi)做圓周移動(dòng)可以測(cè)得更多的獨(dú)立取樣。

（3）極化攪模，通過使用3個(gè)固定的、相互正交的單極子天線，測(cè)試3個(gè)天線上的信號(hào)功率。

（4）頻率攪模，通過在頻率上進(jìn)行平均能進(jìn)一步提高測(cè)試精度。

實(shí)際測(cè)試中，需要用一個(gè)已知輻射效率的天線作為參考天線進(jìn)行測(cè)試，參考天線在腔體內(nèi)的位置至少距離腔體壁或攪拌板λ/2，在連續(xù)攪拌狀態(tài)下，測(cè)量參考天線。

混響暗室測(cè)試速度比傳統(tǒng)的微波暗室要快，但是多徑環(huán)境是真實(shí)世界中不常見的場(chǎng)景且它的傳輸延遲并不是LTE網(wǎng)絡(luò)的典型傳輸延遲。為了解決這一問題，目前混響室方法開始研究引入信道模擬器來實(shí)現(xiàn)仿真更長(zhǎng)的時(shí)延和衰落。另外，混響暗室無法收集到天線輻射場(chǎng)型?；祉懯曳桨冈韴D如圖2所示：

圖2 混響室方案

4.2 二階段方案

二階段測(cè)試方法通過測(cè)量被測(cè)設(shè)備中每根天線單元的矢量方向圖信息，將得到的幅度和相位信息添加入信息模型中計(jì)算，即利用傳導(dǎo)測(cè)試的方式評(píng)估期望的輻射性能。

二階段法的第1階段是使用基站仿真儀表模擬LTE基站信號(hào)，在消聲室中對(duì)天線進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)消聲室中設(shè)備旋轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)量天線增益。得出的測(cè)量數(shù)據(jù)可用于生成3D或2D的天線方向圖，由于第2階段不支持自干擾測(cè)試，所以自干擾測(cè)試須在第1階段完成。借助兩步法，在收集到天線方向圖數(shù)據(jù)之后，就不再需要使用消聲室來執(zhí)行測(cè)試。這意味著無需占用消聲室過多的時(shí)間，一旦完成第1個(gè)階段MIMO OTA測(cè)試，就可將它移做別用。

在第2個(gè)階段，不需要用到暗室，所以可消除先期認(rèn)證測(cè)試的一大瓶頸。二階段法的第2個(gè)階段，結(jié)合第1階段測(cè)試的天線方向圖，根據(jù)MIMO信道模型，用測(cè)量得到的天線方向圖，仿真第1階段MIMO信道模型。二階段法能完成的測(cè)試項(xiàng)有吞吐量、TRP和TIS、CQI和BLER、天線效率、天線相關(guān)性及MIMO通路容量。二階段方案示意圖如圖3所示：

圖3 二階段方案

由于測(cè)量矢量方向圖需要借助設(shè)備芯片在UE端測(cè)量其天線方向圖，這就需要對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行修改，另外線纜的引入也會(huì)對(duì)天線的輻射性能帶來一定的影響，外部因素的影響在OTA測(cè)試中應(yīng)該盡量避免。為了解決這一問題，目前考慮采用射頻芯片自身的功能收集天線的輻射功率和相位的方向圖信息。對(duì)于MIMO OTA條件是靜態(tài)的，功率測(cè)量的線性度對(duì)結(jié)果有影響，這可以在后期進(jìn)行線性化處理，相位測(cè)試在以前的測(cè)試中沒有類似的測(cè)試，可以在UE端得到高精度測(cè)試結(jié)果。天線圖測(cè)試階段的兩階段法的優(yōu)勢(shì)在于可以從另外的途徑實(shí)現(xiàn)任意的三維場(chǎng)景仿真。

4.3 兩種方案的分析比較

通過以上兩種測(cè)試方法的介紹，其中二階段測(cè)試方案是基于暗室環(huán)境下測(cè)試的，混響測(cè)試方案是在混響室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試的。由于目前還沒有明確哪種方法能作為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，雖然CTIA的目標(biāo)是在2013年中期完成1個(gè)測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化，3GPP可能會(huì)額外地規(guī)定使用標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試方法的性能，但這可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間，以單天線（SISO）系統(tǒng)為例，3GPP在完成測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化以后，還是用了大概3年時(shí)間才在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商與UE廠商間就性能要求達(dá)成一致。對(duì)于MIMO OTA而言，在性能要求上達(dá)成一致將會(huì)非常困難，相關(guān)性能比較如表1所示：

表1 性能比較表

從技術(shù)層面看，無論終端廠商還是運(yùn)營(yíng)商都希望能盡可能地模擬實(shí)際環(huán)境，從而達(dá)到最優(yōu)方法進(jìn)行測(cè)試。但到目前為止，還沒有一種方法能驗(yàn)證它與已知天線的精度對(duì)比結(jié)果，因此也沒有定義出哪些因素會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。雖然能對(duì)一些對(duì)測(cè)試結(jié)果有明顯影響的因素進(jìn)行評(píng)估，但是有很多細(xì)微的因素，如在測(cè)試空間內(nèi)信號(hào)相關(guān)度是否能達(dá)到給定要求的靜區(qū)尺寸等，目前很難驗(yàn)證其對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

從成本方面考慮，能節(jié)約成本是很多廠商的首選。多數(shù)天線暗室方案的演進(jìn)也是基于節(jié)約成本來考慮的，目前針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的簡(jiǎn)化程度還沒有完全量化、清晰化。

5 結(jié)束語

天線作為通信系統(tǒng)與傳播信道連接的部分，其輻射和接收特性決定著MIMO系統(tǒng)利用多徑的方式，對(duì)終端進(jìn)行整機(jī)MIMO OTA測(cè)試是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于終端廠商和運(yùn)營(yíng)商來說，選擇正確合理的測(cè)試方案，對(duì)終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展會(huì)起到不可或缺的作用，所以無論終端廠商還是運(yùn)營(yíng)商，都應(yīng)對(duì)MIMO OTA測(cè)試高度重視，從而使用戶能用到通話質(zhì)量好，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流暢的終端。

[1]CTIA. Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance V3.0[S]. 2009.

[2]張林昌. 混響室及其進(jìn)展[J]. 安全與電磁兼容, 2001(4).

[3]3GPP. 3GPP TR 37.976 V1.1.0[S]. 2011.

[4]ROHDE&SCHWARZ. 雙通道法測(cè)量MIMO設(shè)備的OTA性能[Z]. 2010.

[5]肖靂. 無源和有源MIMO天線性能的關(guān)鍵指標(biāo)研究及測(cè)試驗(yàn)證[D]. 北京: 北京郵電大學(xué), 2013.