目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)無線技術使用了幾種不同的多入多出(MIMO)技術。鑒于MIMO系統(tǒng)的復雜性正在日益提高，相關的測試方法也將更加具有挑戰(zhàn)性。例如，當前部署的MIMO技術利用兩個天線來改善信道性能；還有一些LTE組織正率先采用八天線技術來獲得更高的性能。這些先進的技術將使測試方法的選擇變得更至關重要。
要想找到正確的方法，必須要充分理解每一版本的LTE所使用的天線技術，例如，波束是TD-LTE的一項關鍵特性。盡管它在某些場景下是一種極具吸引力的傳輸方案(例如開放的鄉(xiāng)村地區(qū)或熱點覆蓋區(qū))，但它卻并不總是最佳的方法。波束賦形可以提高蜂窩接收信號的信噪比(SNR)，從而擴大覆蓋范圍或改善蜂窩邊緣區(qū)域的用戶體驗。它還可以從空間上對信號進行限制，從而將干擾降至最低。然而，在信噪比足夠的地區(qū)，波束賦形并不能使數據速率得到提高。
通過在空間上復用同步數據流，MIMO可以在低相關、高信噪比信道條件下提高數據吞吐量。為了優(yōu)化MIMO數據速率，TD-LTE使用了八天線組件。在圖1中，有四個天線(以藍色顯示)在物理上形成了相同角度的極化，而另外四個天線(以綠色顯示)則與前面四個形成了物理正交關系。
圖1：此圖顯示的是一個TD-LTE eNodeB天線配置，可以用于優(yōu)化MIMO數據速率。
通過形成一個指向具體用戶設備(UE)的波束，這兩組四天線組件可以增強信噪比。兩個正交極化的波束能夠有效地模仿出兩個存在較低相關的天線，即使實際的空間關聯較高也沒問題。因此，這種天線配置能夠擴大覆蓋范圍，從而使高數據速率傳輸成為可能(圖2)。
圖2：一個8×2波束賦形系統(tǒng)形成正交極化波束。
除TD-LTE外，八天線技術還可用于FDD-LTE。網絡運營商可以通過補償小功率用戶設備的鏈路預算限制，利用該天線配置來增強上行鏈路的接收效果。3GPP的RAN1工作組正在積極討論八天線技術在LTE-A的實際部署。
在傳統(tǒng)的性能測試中，天線模式(或一個天線陣列在每個方向上的信號增益)通常都被忽視。這部分是因為，在單入單出(SISO)系統(tǒng)的傳統(tǒng)測試中，人們往往假設天線是全向性的。但對于多數基站來說，事實并非如此。信號強度的方向性在MIMO空間信道中發(fā)揮著重要的作用，而在波束賦形應用中的作用則更為關鍵。因此，在測試八天線系統(tǒng)時，認真考慮天線的模式將至關重要。
為了發(fā)揮八天線陣列的全部優(yōu)勢，LTE和LTE-A系統(tǒng)會使用雙流波束賦形等先進傳輸方案，以及干擾抑制和合并(IRC)等接收機技術。使用IRC技術時，eNodeB基站收發(fā)機(BTS)使用從多種用戶設備收集到的信息(通常是各噪聲源之間的交叉協(xié)方差)，以智能化的方式對噪聲加以抑制。這類方案會增加MIMO信道仿真的復雜性。此外，它們還會帶來如下的測試挑戰(zhàn)：
信道的數量：要想對一個波束賦形系統(tǒng)進行測試，就必須建立起MIMO信道。在TD-LTE中，上行和下行鏈路在特性上是相同的。在FD-LTE中，信道的相關程度可能較高或者較低——這要依頻率區(qū)間或觀察到的(Rayleigh衰落、陰影衰落等)衰落水平等因素而定。在實驗室中為測試用途而創(chuàng)建的任何RF信道，都必須將這些細節(jié)考慮在內。
對于八天線系統(tǒng)來說，此類測試顯然涉及大量的RF信道，例如，一個8×2雙向MIMO信道就需要16個RF信道。在許多實驗室中，空間是一個重要因素。因此，提供這種能力上的重要增長而又不導致測試臺尺寸出現成比例的增長值得考慮。
此外，信道互易性需要對8×2雙向MIMO測試系統(tǒng)進行相位校準，而對系統(tǒng)的波束賦形能力進行測試。有效的信道相位校準和調整都是實現可靠和高效測試的關鍵因素。信道數量的這種增加，還要求將RF硬件更密集地集成到系統(tǒng)中。否則，將很難實現RF信道與外部分路器、組合器和環(huán)行器等大量器件的精確和可靠連接。
先進的信道建模：由于八天線LTE系統(tǒng)使用了先進的天線技術，測試所用建模信道必須復現這些技術中所用信道的物理特性。如果在仿真中沒有將每一細節(jié)都囊括在內，則有可能建立不正確的基準，而無法對真實系統(tǒng)性能進行評價。例如，極化會影響用戶設備接收到的信號功率。與非極化的案例相比，該接收信號的視在功率較低。這種由于極化直接造成的損耗取決于用戶設備相對于eNodeB天線陣列的方向。
天線模式也對信號強度有直接的影響。接收信號的功率會隨信號傳播方向的不同而變化。由于每種可能場景都有唯一的一組分離角(AoD)，因此功率將會再次隨方向的不同而變化。當天線模式和極化結合在一起時，這個問題會變得更加難以應付。表1顯示了雙信道場景下不同組合的功率損耗。表中的“X”代表一個交叉極化天線對，而豎線(||)代表的是無極化的天線組件。
表1：極化和天線模式對接收功率產生的影響。
動態(tài)場景：對于一個波束賦形系統(tǒng)而言，僅在靜態(tài)(非移動)條件下進行測試遠遠不夠。波束賦形本質上包含兩個步驟：估計用戶設備的方向，以及將波束指向該方向。當用戶設備移動時，它(相對于eNodeB天線陣列)的方向也會改變。在理解系統(tǒng)性能的過程中，這種現象會帶來兩個基本問題：系統(tǒng)跟蹤用戶設備移動的速度有多快，以及系統(tǒng)的性能會因此受到怎樣的影響？為了解答這些問題，我們必須使用能夠代表實際運行條件的動態(tài)場景來對波束賦形系統(tǒng)進行測試。
測試方法
鑒于前文中所討論過的原因，行之有效的測試方法必須能夠應對所描述的這些挑戰(zhàn)：在緊湊尺寸中提供數量較大的互易性RF信道，考慮到天線模式和極化的信道建模，以及在動態(tài)(運動)場景中測試波束賦形的能力。雙向8×N系統(tǒng)測試所需的信道數量會帶來前所未有的挑戰(zhàn)。圖3顯示了8×2雙向測試所用的現代系統(tǒng)。傳統(tǒng)的信道仿真器可能占用一個40U機架，并且需要大量的外部RF硬件才能實現相同的信道場景。
圖3：8×2 MIMO波束賦形測試的信道仿真。
隨著技術的進步，對測試系統(tǒng)的要求只會變得越來越具有挑戰(zhàn)性和越來越苛刻。一個實例就是雙流波束賦形應用，其中包含兩個從不同物理位置與同一eNodeB BTS通話的用戶設備。所需的測試拓撲結構中包含一個8×4雙向MIMO信道(也就是具有32個數字信道的16個RF信道)。另外一個實例就是IRC。對IRC進行測試，需要eNodeB BTS(本測試案例中的被測設備(DUT))從一個“期望”的用戶設備和多個引起干擾的用戶設備接收信號，并且測試還要考慮到衰落的效應。
隨著新技術的開發(fā)和現有技術在高天線數MIMO系統(tǒng)中的部署，未來還會出現一些挑戰(zhàn)性的測試場景。例如，多用戶MIMO(MU-MIMO)并非什么新的測試，但在LTE的MIMO用戶設備條件下進行此類測試則會帶來一些重大的挑戰(zhàn)，因為有多種復雜的技術都以“分層”的方式層疊在一起。在MU-MIMO中，系統(tǒng)會使用信號處理來發(fā)揮多用戶設備之間的空間差異特性。另外一個實例是LTE-A中的多點協(xié)作(CoMP)傳輸。當用戶設備連接至多個eNodeB BTS時(通常在重疊的蜂窩邊緣處)，該技術會對網絡冗余加以利用。
圖4顯示了測試雙流波束賦形、MU-MIMO和具有集成雙向MIMO信道的CoMP時的一個典型緊湊設置。集成式解決方案的信道密度所發(fā)揮的作用遠不止于在有限的實驗室空間中應對大量RF信道的挑戰(zhàn)。在相信校準和穩(wěn)定性方面，它也是一種更穩(wěn)定的平臺。
圖4：這種緊湊的測試設置可應對雙流波束賦形、MU-MIMO和CoMP測試場景。
幾何信道模型
當需要對LTE和LTE-A系統(tǒng)的先進天線技術進行測試時，基于相關矩陣的傳統(tǒng)MIMO信道建模便無法勝任了。這種傳統(tǒng)的建模方法無法捕獲MIMO信道的空間特性或前文所討論過的先進天線技術的效果。
多數基于相關矩陣的MIMO信道建模都建立在這樣一個假設之上：信號離開發(fā)射天線時是全向的，并且它也以同樣的方式到達接收天線。但在MIMO波束賦形中，實際情況并非如此。
為解決這一問題，研究團體提出了一種全新的信道建模方法，即所謂的幾何信道建模(GCM)。在GCM中，從發(fā)射天線到接收天線的每條信號路徑都在幾何上受到追蹤，并被合并起來形成信道。這種方法在本質上為天線模式和極化提供了支持。由于這些特性，GCM已被選定對下一代無線技術進行評估。
實時衰落
實現反復試驗的研發(fā)故障診斷。在動態(tài)或移動場景中，信道參數會隨時間而改變。實時衰落使研發(fā)人員可對信道參數編制腳本，從而對信道動態(tài)加以模仿。利用實時衰落引擎，為波束賦形測試創(chuàng)建不同類型用戶設備移動的工作將會非常地簡潔和直觀。
研發(fā)測試需要能夠靈活地控制信道，從而進行故障診斷。加上幾何信道建模，實時衰落使得工程師能夠對一項或多項信道參數進行調節(jié)，并且立即獲得響應。這種“反復試驗的故障診斷”方法在產品的開發(fā)上是通用的，而且已被廣泛用于各類系統(tǒng)性能測試中。
由于整個行業(yè)都在為實現更新的無線應用而追求更高的數據速率，所用的天線數量和先進天線技術的復雜性都必然會與日俱增。這種趨勢將對用先進天線技術對LTE和LTE-A進行測試構成巨大的挑戰(zhàn)。因此，有關測試場景的新的思維方法和方式都將不可或缺。
八天線系統(tǒng)可以將2×2 MIMO系統(tǒng)所用的射頻信道數量提高四倍，而研究人員已經開始探討需要2×2系統(tǒng)8倍天線組件數量的技術。如果在實驗室中復現互易式高天線數測試場景，將會面臨空間和其它資源方面的諸多嚴重制約。與傳統(tǒng)的信道建模相比，新興的先進天線技術又會帶來另一挑戰(zhàn)。當測試人員需要完整理解系統(tǒng)性能時，在動態(tài)場景中對系統(tǒng)進行測試必不可少。
能夠應對這些挑戰(zhàn)的有效測試方法，必須使用可支持各種先進天線技術的幾何信道建模。它還必須能夠以實時方式運行動態(tài)場景。最后，這種測試方法還必須能夠可靠、高效地創(chuàng)建八天線系統(tǒng)中雙向MIMO信道的所有細節(jié)，并且能夠在緊湊的尺寸中實現這些功能。
