八天线LTE的测试挑战

摘要：  目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)无线技术使用了几种不同的多种输入多路输出(MIMO)技术。鉴于MIMO系统的复杂性正在日益提高，因此相关的测试方法也将更具挑战性。要想找到正确的方法，必须要充分理解每一版本的LTE所使用的天线技术。

关键字：  LTE，  天线技术，  TD-LTE，  测试方法

目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)无线技术使用了几种不同的多种输入多路输出(MIMO)技术。鉴于MIMO系统的复杂性正在日益提高，因此相关的测试方法也将更具挑战性。例如，当前已部署的MIMO技术利用两具天线来改善信道性能。还有一些LTE社区已率先开始采用八天线技术来实现更高的性能。这些先进的技术将使测试方法的选择变得更为至关重要。

要想找到正确的方法，必须要充分理解每一版本的LTE所使用的天线技术。例如，波束是TD-LTE的一项关键特性。尽管它在某些场景下是一种极具吸引力的传输方案(例如开放的乡村地区或热点覆盖区)，但它并不总是最佳的方法。波束赋型可以提高蜂窝中接收信号的信噪比(SNR)，从而扩大覆盖范围或改善蜂窝边缘区域的用户体验。它还可以从空间上对信号的范围加以限制，从而将干扰降至最低。在信噪比充足的地区，波束赋型并不能使数据速率得到提高。

通过在空间上复用并发数据流，MIMO可以在低关联、高信噪比信道条件下提高数据吞吐量。为了优化MIMO数据速率，TD-LTE使用包含八具天线的组件。在图1中，有四具天线(以蓝色显示)在物理上形成了角度相同的极化，而另外四具天线(以绿色显示)则与前面的四具天线形成了物理正交的关系。

图1：此图显示的是一个TD-LTE eNodeB天线配置，可以用于优化MIMO数据速率。

通过形成一个指向具体用户设备(UE)的波束，这两组四天线组件可以增强信噪比。两个正交极化的波束能够有效地模仿出两个存在较低关联天线，即使实际的空间关联较高也没问题。因此，这种天线配置能够扩大覆盖范围，使更广泛的高数据速率传输成为可能(图2)。

图2：一个形成正交极化波束的8×2波束赋型系统。

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除TD-LTE外，八天线技术还可用于FDD-LTE。网络运营商可以利用该天线配置来增强上行链路的接收效果，解决低功率用户设备链路预算限制的问题。3GPP的RAN1工作组正在积极讨论八天线技术在LTE-A的实用化部署。

在传统的性能测试中，天线模式，即一个天线阵列在每个方向上的信号增益，通常都会被忽视。这部分是因为，在传统的单路输入单路输出(SISO)系统进行的测试中，人们往往会假设天线都是全向的。但对于多数基站来说，事实并非如此。信号强度的方向性在MIMO空间信道中发挥着重要的作用，而在波束赋型应用中的作用则更为关键。因此，在测试八天线系统时，认真考虑天线的模式将是至关重要的。

为了发挥八天线阵列的全部优势，LTE和LTE-A系统会使用双层波束赋型，以及干扰抑制和合并(IRC)等接收机技术。使用IRC技术时，eNodeB基础接收机站(BTS)使用从多种用户设备收集到信息(通常是各噪音源之间的交叉共变)，从而以智能化的方式对噪音加以抑制。这类方案会增加MIMO信道仿真的复杂性。此外，它们还会带来如下的测试挑战：

信道的数量：要想对一个波束赋型系统进行测试，就必须建立起MIMO信道。在TD-LTE中，上行和下行链路在特性上是相同的。在FD-LTE中，信道的关联程度可能较高或较低–这要依频率间隔或所观察到的(Rayleigh衰减、阴影衰减等)衰减水平等因素的而定。在实验室中为测试用途而创建的任何RF信道必须将这些细节考虑在内。

对于八天线系统来说，此类测试很明显将涉及大量的RF信道。例如，一个8x2双向MIMO信道就需要16个RF信道。在许多实验室中，空间RF都是一个重要的因素。因此，提供这一能力可以大幅度增强能力，同时又不会导致测试平台的规模出现不成比例的异常增长。

此外，要想实现信道互易性，就要求对8x2双向MIMO测试系统进行相位校准，只有校准后才能对系统的波束赋型能力进行测试。有效的相位调整和信道校准都是实现可靠和高效测试的关键因素。信道数量的这种增加还要求更RF硬件更密集地集成到系统中。如果不能有效集成，在有大量外侧分离器、合并器和循环器等设备的条件下，精确和可靠地实现RF信道几乎会成为一项不可能完成的任务。

先进的信道建模：由于八天线LTE系统使用了先进的天线技术，测试中所用的建模信道必须重现这些技术中所用信道的实际物理特性。如果在仿真结果中不能将所有的细节都囊括在内，则有可能建立不正确的基准，从而无法对真正的系统性能进行评价。例如，极化会影响用户设备接收到的信号功率。与无极化的案例相比，接收到的信号功率明显较低。这种由于极化直接造成的损失取决于用户设备与eNodeB天线阵列之间的相对方向。

天线模式也对信号强度有直接的影响。接收信号的功率会随信号行进方向的不同而有所变化。由于每种可能的场景都有一系列独特的离去角(AoD)，因此功率也会随方向的不同而有所变化。当天线模式和极化结合在一起时，这个问题会变得更难应付。下表显示的双信道场景下不同组合造成的功率损失。表中的“X”代表一个交叉极化天线对，而竖线(||)代表的是无极化的天线组件。

表：极化和天线模式对接收功率产生的影响。

动态场景：对于一种波束赋型系统而言，仅在静态(非移动)条件下进行测试是远远不够的。波束赋型基本上包含两个步骤：估计用户设备的方向，以及将波束指向该方向。当用户设备移动时，它(相对于eNodeB天线阵列)的方向也会改变。在理解系统性能的过程中，这种现象会带来两个基本的问题：系统跟踪用户设备移动的速度有多快，以及系统的性能会因此受到怎样的影响?为了解答这些问题，我们必须使用能够代表实际运行条件的动态场景来对波束赋型系统进行测试。

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测试方法

鉴于前文中所讨论过的原因，行之有效的测试方法必须能够应对所描述的这些挑战：通过便携机体尺寸提供数量较大的互易性RF信道、考虑到天线模式和极化的信道建模，以及在动态(活动)场景中测试波束赋型的能力。双向8×N系统测试所需的信道数量会带来前所未有的挑战。图3显示的是8x2双向测试所用的现代系统图示。传统的信道仿真器可能占用一个40U机架，并且需要大量的外部RF硬件才能实现相同的信道场景。

图3：本图示显示的是8×2 MIMO波束赋型测试的信道仿真。

随着技术的进步，对测试系统的要求只会变得越来越具挑战性，而且会变得越来越苛刻。实例之一就是双层波束赋型应用，其中包含两个从不同物理位置与同一eNodeB BTS通话的用户设备。所需的测试拓扑结构中包含一个8×4双向MIMO信道(也就是包含32个数字信道的16个RF信道)。另外一个实例就是IRC。要想对IRC进行测试，需要eNodeB BTS，即本测试案例中的被测设备(DUT)，从一个“预期”的用户设备和多个起干扰作用的用户设备接收信号，而且测试中还会考虑到衰减的效应。

随着新技术的开发和现有技术在高天线数MIMO系统中的部署，未来还会出现一些极具挑战性的测试场景。例如，多用户MIMO(MU-MIMO)并非什么新的测试。但在LTE的MIMO用户设备条件下进行的此类测试则会带来一些重大的挑战，因为有多种复杂的技术都以“分层”的方式层叠在一起。在MU-MIMO中，系统会使用信号处理来发挥多用户设备之间的空间差异特性。另外一个实例是LTE-A中的协同多点(CoMP)传输。当用户设备连接至多个eNodeB BTS时(通常在重叠的蜂窝边缘处)，该技术会对网络冗余加以利用。

图4显示的是测试双层波束赋型、MU-MIMO和集成双向MIMO信道的CoMP时的典型袖珍设置。集成式解决方案的信道密度所发挥的作用远不止于在有限的实验室空间中应对大量RF信道的挑战。在相信校准和稳定性方面，它也是一种稳定得多的平台。

图4：这种小巧的测试设置可应对双层波束赋型、MU-MIMO和CoMP测试场景。

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几何信道模型

当需要对LTE和LTE-A系统的先进天线技术进行测试时，基于关联的传统MIMO信道建模就已经无法胜任了。这种传统的建模方法无法捕获MIMO信道的空间特性或前文所讨论过的先进天线技术的效果。

多数基于关联的MIMO信道建模都建立在一项假设的基础之上，即信号离开发射天线时是全方向的，而且以同样的方式到达接收天线。4但在MIMO波束赋型中，实际情况并非如此。

为解决这一问题，研究人员们提出了一种全新的信道建模方法，即所谓的几何信道建模(GCM)。在GCM中，从发射天线到接收天线的每条信号路径都从几何上受到追踪，并且合并在一起而形成了信道。这种方法从本质上为天线模式和极化提供了支持。由于具体了这些特质，GCM已被选定对下一代无线技术进行评估。

实时衰减

实时衰减方法可以实时生成信道数据，而不是预先计算出的数据，同时还可以从缓存存储内容中对其加以回放。推动实时衰减有两项主要的动力：创建真正的动态场景并且实现试验和查错式的研发故障查找。在动态或移动场景中，信道参数会随时间而改变。实时衰减使测试人员可对信道参数编制脚本，从而对信道的动态加以模仿。利用实时衰减引擎，为波束赋型测试创建不同类型用户设备移动的工作将会变得非常简洁而直观。

在研发测试中，需要具备控制信道来实现故障查找的灵活能力。利用几何信道建模和实时衰减能力，工程师能够对一项或多项信道参数进行调节，并且立即获得响应。这种“实验和查错式的故障查找”方法在产品开发中是通用的，而且已经广泛用于各类系统测试中。

由于整个行业都在为实现更新的无线应用而追求更高的数据速率，所用的天线数量和先进天线技术的复杂性都必然会与日俱增。这种趋势将对包含先进天线技术的LTE和LTE-A测试构成巨大的挑战。因此，新的方法和新的测试场景思维方式都将是不可或缺的。

八天线系统可以将2x2 MIMO系统所用的信道数量提高至原有水平的四倍。但研究人员已经开始探讨天线组件数量为2x2系统的8倍的技术。如果在实验室中重现互易式高天线数测试场景，将会面临空间和其它资源方面诸多的严重制约。与传统的信道建模相比，新兴的先进天线技术也会带来新的挑战。当测试人员需要完整理解系统的性能时，在动态场景中对系统进行测试是必不可少的。

能够应对这些挑战的有效测试方法必须使用可支持各种先进天线技术的几何信道建模。它还必须能够以实时方式运行动态场景。最后，这种测试方法还必须能够可靠、高效地创建八天线系统中双向MIMO信道的所有细节，而且必须在小巧便携的设备规格内实现所有这些功能。