目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)無(wú)線技術(shù)使用了幾種不同的多入多出(MIMO)技術(shù)。鑒于MIMO系統(tǒng)的復(fù)雜性正在日益提高，相關(guān)的測(cè)試方法也將更加具有挑戰(zhàn)性。例如，當(dāng)前部署的MIMO技術(shù)利用兩個(gè)天線來(lái)改善信道性能；還有一些LTE組織正率先采用八天線技術(shù)來(lái)獲得更高的性能。這些先進(jìn)的技術(shù)將使測(cè)試方法的選擇變得更至關(guān)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(shù)，例如，波束是TD-LTE的一項(xiàng)關(guān)鍵特性。盡管它在某些場(chǎng)景下是一種極具吸引力的傳輸方案(例如開(kāi)放的鄉(xiāng)村地區(qū)或熱點(diǎn)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(hào)的信噪比(SNR)，從而擴(kuò)大覆蓋范圍或改善蜂窩邊緣區(qū)域的用戶體驗(yàn)。它還可以從空間上對(duì)信號(hào)進(jìn)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(shù)據(jù)速率得到提高。

通過(guò)在空間上復(fù)用同步數(shù)據(jù)流，MIMO可以在低相關(guān)、高信噪比信道條件下提高數(shù)據(jù)吞吐量。為了優(yōu)化MIMO數(shù)據(jù)速率，TD-LTE使用了八天線組件。在圖1中，有四個(gè)天線(以藍(lán)色顯示)在物理上形成了相同角度的極化，而另外四個(gè)天線(以綠色顯示)則與前面四個(gè)形成了物理正交關(guān)系。
 

圖1：此圖顯示的是一個(gè)TD-LTE eNodeB天線配置，可以用于優(yōu)化MIMO數(shù)據(jù)速率。

通過(guò)形成一個(gè)指向具體用戶設(shè)備(UE)的波束，這兩組四天線組件可以增強(qiáng)信噪比。兩個(gè)正交極化的波束能夠有效地模仿出兩個(gè)存在較低相關(guān)的天線，即使實(shí)際的空間關(guān)聯(lián)較高也沒(méi)問(wèn)題。因此，這種天線配置能夠擴(kuò)大覆蓋范圍，從而使高數(shù)據(jù)速率傳輸成為可能(圖2)。
 

圖2：一個(gè)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(shù)還可用于FDD-LTE。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)補(bǔ)償小功率用戶設(shè)備的鏈路預(yù)算限制，利用該天線配置來(lái)增強(qiáng)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(shù)在LTE-A的實(shí)際部署。

在傳統(tǒng)的性能測(cè)試中，天線模式(或一個(gè)天線陣列在每個(gè)方向上的信號(hào)增益)通常都被忽視。這部分是因?yàn)椋趩稳雴纬?SISO)系統(tǒng)的傳統(tǒng)測(cè)試中，人們往往假設(shè)天線是全向性的。但對(duì)于多數(shù)基站來(lái)說(shuō)，事實(shí)并非如此。信號(hào)強(qiáng)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(yīng)用中的作用則更為關(guān)鍵。因此，在測(cè)試八天線系統(tǒng)時(shí)，認(rèn)真考慮天線的模式將至關(guān)重要。

為了發(fā)揮八天線陣列的全部?jī)?yōu)勢(shì)，LTE和LTE-A系統(tǒng)會(huì)使用雙流波束賦形等先進(jìn)傳輸方案，以及干擾抑制和合并(IRC)等接收機(jī)技術(shù)。使用IRC技術(shù)時(shí)，eNodeB基站收發(fā)機(jī)(BTS)使用從多種用戶設(shè)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(duì)噪聲加以抑制。這類方案會(huì)增加MIMO信道仿真的復(fù)雜性。此外，它們還會(huì)帶來(lái)如下的測(cè)試挑戰(zhàn)：

信道的數(shù)量：要想對(duì)一個(gè)波束賦形系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(guān)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(shí)驗(yàn)室中為測(cè)試用途而創(chuàng)建的任何RF信道，都必須將這些細(xì)節(jié)考慮在內(nèi)。

對(duì)于八天線系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此類測(cè)試顯然涉及大量的RF信道，例如，一個(gè)8×2雙向MIMO信道就需要16個(gè)RF信道。在許多實(shí)驗(yàn)室中，空間是一個(gè)重要因素。因此，提供這種能力上的重要增長(zhǎng)而又不導(dǎo)致測(cè)試臺(tái)尺寸出現(xiàn)成比例的增長(zhǎng)值得考慮。
此外，信道互易性需要對(duì)8×2雙向MIMO測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行相位校準(zhǔn)，而對(duì)系統(tǒng)的波束賦形能力進(jìn)行測(cè)試。有效的信道相位校準(zhǔn)和調(diào)整都是實(shí)現(xiàn)可靠和高效測(cè)試的關(guān)鍵因素。信道數(shù)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(shí)現(xiàn)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(jìn)的信道建模：由于八天線LTE系統(tǒng)使用了先進(jìn)的天線技術(shù)，測(cè)試所用建模信道必須復(fù)現(xiàn)這些技術(shù)中所用信道的物理特性。如果在仿真中沒(méi)有將每一細(xì)節(jié)都囊括在內(nèi)，則有可能建立不正確的基準(zhǔn)，而無(wú)法對(duì)真實(shí)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。例如，極化會(huì)影響用戶設(shè)備接收到的信號(hào)功率。與非極化的案例相比，該接收信號(hào)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(shè)備相對(duì)于eNodeB天線陣列的方向。

天線模式也對(duì)信號(hào)強(qiáng)度有直接的影響。接收信號(hào)的功率會(huì)隨信號(hào)傳播方向的不同而變化。由于每種可能場(chǎng)景都有唯一的一組分離角(AoD)，因此功率將會(huì)再次隨方向的不同而變化。當(dāng)天線模式和極化結(jié)合在一起時(shí)，這個(gè)問(wèn)題會(huì)變得更加難以應(yīng)付。表1顯示了雙信道場(chǎng)景下不同組合的功率損耗。表中的“X”代表一個(gè)交叉極化天線對(duì)，而豎線(||)代表的是無(wú)極化的天線組件。
 

表1：極化和天線模式對(duì)接收功率產(chǎn)生的影響。

動(dòng)態(tài)場(chǎng)景：對(duì)于一個(gè)波束賦形系統(tǒng)而言，僅在靜態(tài)(非移動(dòng))條件下進(jìn)行測(cè)試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。波束賦形本質(zhì)上包含兩個(gè)步驟：估計(jì)用戶設(shè)備的方向，以及將波束指向該方向。當(dāng)用戶設(shè)備移動(dòng)時(shí)，它(相對(duì)于eNodeB天線陣列)的方向也會(huì)改變。在理解系統(tǒng)性能的過(guò)程中，這種現(xiàn)象會(huì)帶來(lái)兩個(gè)基本問(wèn)題：系統(tǒng)跟蹤用戶設(shè)備移動(dòng)的速度有多快，以及系統(tǒng)的性能會(huì)因此受到怎樣的影響？為了解答這些問(wèn)題，我們必須使用能夠代表實(shí)際運(yùn)行條件的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景來(lái)對(duì)波束賦形系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試方法

鑒于前文中所討論過(guò)的原因，行之有效的測(cè)試方法必須能夠應(yīng)對(duì)所描述的這些挑戰(zhàn)：在緊湊尺寸中提供數(shù)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(dòng)態(tài)(運(yùn)動(dòng))場(chǎng)景中測(cè)試波束賦形的能力。雙向8×N系統(tǒng)測(cè)試所需的信道數(shù)量會(huì)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)。圖3顯示了8×2雙向測(cè)試所用的現(xiàn)代系統(tǒng)。傳統(tǒng)的信道仿真器可能占用一個(gè)40U機(jī)架，并且需要大量的外部RF硬件才能實(shí)現(xiàn)相同的信道場(chǎng)景。
 

圖3：8×2 MIMO波束賦形測(cè)試的信道仿真。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的要求只會(huì)變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性和越來(lái)越苛刻。一個(gè)實(shí)例就是雙流波束賦形應(yīng)用，其中包含兩個(gè)從不同物理位置與同一eNodeB BTS通話的用戶設(shè)備。所需的測(cè)試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含一個(gè)8×4雙向MIMO信道(也就是具有32個(gè)數(shù)字信道的16個(gè)RF信道)。另外一個(gè)實(shí)例就是IRC。對(duì)IRC進(jìn)行測(cè)試，需要eNodeB BTS(本測(cè)試案例中的被測(cè)設(shè)備(DUT))從一個(gè)“期望”的用戶設(shè)備和多個(gè)引起干擾的用戶設(shè)備接收信號(hào)，并且測(cè)試還要考慮到衰落的效應(yīng)。

隨著新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)在高天線數(shù)MIMO系統(tǒng)中的部署，未來(lái)還會(huì)出現(xiàn)一些挑戰(zhàn)性的測(cè)試場(chǎng)景。例如，多用戶MIMO(MU-MIMO)并非什么新的測(cè)試，但在LTE的MIMO用戶設(shè)備條件下進(jìn)行此類測(cè)試則會(huì)帶來(lái)一些重大的挑戰(zhàn)，因?yàn)橛卸喾N復(fù)雜的技術(shù)都以“分層”的方式層疊在一起。在MU-MIMO中，系統(tǒng)會(huì)使用信號(hào)處理來(lái)發(fā)揮多用戶設(shè)備之間的空間差異特性。另外一個(gè)實(shí)例是LTE-A中的多點(diǎn)協(xié)作(CoMP)傳輸。當(dāng)用戶設(shè)備連接至多個(gè)eNodeB BTS時(shí)(通常在重疊的蜂窩邊緣處)，該技術(shù)會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)冗余加以利用。

圖4顯示了測(cè)試雙流波束賦形、MU-MIMO和具有集成雙向MIMO信道的CoMP時(shí)的一個(gè)典型緊湊設(shè)置。集成式解決方案的信道密度所發(fā)揮的作用遠(yuǎn)不止于在有限的實(shí)驗(yàn)室空間中應(yīng)對(duì)大量RF信道的挑戰(zhàn)。在相信校準(zhǔn)和穩(wěn)定性方面，它也是一種更穩(wěn)定的平臺(tái)。
 

圖4：這種緊湊的測(cè)試設(shè)置可應(yīng)對(duì)雙流波束賦形、MU-MIMO和CoMP測(cè)試場(chǎng)景。

幾何信道模型

當(dāng)需要對(duì)LTE和LTE-A系統(tǒng)的先進(jìn)天線技術(shù)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，基于相關(guān)矩陣的傳統(tǒng)MIMO信道建模便無(wú)法勝任了。這種傳統(tǒng)的建模方法無(wú)法捕獲MIMO信道的空間特性或前文所討論過(guò)的先進(jìn)天線技術(shù)的效果。

多數(shù)基于相關(guān)矩陣的MIMO信道建模都建立在這樣一個(gè)假設(shè)之上：信號(hào)離開(kāi)發(fā)射天線時(shí)是全向的，并且它也以同樣的方式到達(dá)接收天線。但在MIMO波束賦形中，實(shí)際情況并非如此。

為解決這一問(wèn)題，研究團(tuán)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(hào)路徑都在幾何上受到追蹤，并被合并起來(lái)形成信道。這種方法在本質(zhì)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(duì)下一代無(wú)線技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。

實(shí)時(shí)衰落

實(shí)現(xiàn)反復(fù)試驗(yàn)的研發(fā)故障診斷。在動(dòng)態(tài)或移動(dòng)場(chǎng)景中，信道參數(shù)會(huì)隨時(shí)間而改變。實(shí)時(shí)衰落使研發(fā)人員可對(duì)信道參數(shù)編制腳本，從而對(duì)信道動(dòng)態(tài)加以模仿。利用實(shí)時(shí)衰落引擎，為波束賦形測(cè)試創(chuàng)建不同類型用戶設(shè)備移動(dòng)的工作將會(huì)非常地簡(jiǎn)潔和直觀。

研發(fā)測(cè)試需要能夠靈活地控制信道，從而進(jìn)行故障診斷。加上幾何信道建模，實(shí)時(shí)衰落使得工程師能夠?qū)σ豁?xiàng)或多項(xiàng)信道參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且立即獲得響應(yīng)。這種“反復(fù)試驗(yàn)的故障診斷”方法在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)上是通用的，而且已被廣泛用于各類系統(tǒng)性能測(cè)試中。

由于整個(gè)行業(yè)都在為實(shí)現(xiàn)更新的無(wú)線應(yīng)用而追求更高的數(shù)據(jù)速率，所用的天線數(shù)量和先進(jìn)天線技術(shù)的復(fù)雜性都必然會(huì)與日俱增。這種趨勢(shì)將對(duì)用先進(jìn)天線技術(shù)對(duì)LTE和LTE-A進(jìn)行測(cè)試構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)。因此，有關(guān)測(cè)試場(chǎng)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(shù)量提高四倍，而研究人員已經(jīng)開(kāi)始探討需要2×2系統(tǒng)8倍天線組件數(shù)量的技術(shù)。如果在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)互易式高天線數(shù)測(cè)試場(chǎng)景，將會(huì)面臨空間和其它資源方面的諸多嚴(yán)重制約。與傳統(tǒng)的信道建模相比，新興的先進(jìn)天線技術(shù)又會(huì)帶來(lái)另一挑戰(zhàn)。當(dāng)測(cè)試人員需要完整理解系統(tǒng)性能時(shí)，在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試必不可少。

能夠應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的有效測(cè)試方法，必須使用可支持各種先進(jìn)天線技術(shù)的幾何信道建模。它還必須能夠以實(shí)時(shí)方式運(yùn)行動(dòng)態(tài)場(chǎng)景。最后，這種測(cè)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(xì)節(jié)，并且能夠在緊湊的尺寸中實(shí)現(xiàn)這些功能。