目前，TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)無線技術(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(shù)來獲得更高的性能。這些先進(jìn)的技術(shù)將使測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的一項關(guān)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(kuò)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(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，而另外四個天線(以綠色顯示)則與前面四個形成了物理正交關(guān)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(shù)據(jù)速率。

通過形成一個指向具體用戶設(shè)備(UE)的波束，這兩組四天線組件可以增強(qiáng)信噪比。兩個正交極化的波束能夠有效地模仿出兩個存在較低相關(guān)的天線，即使實際的空間關(guān)聯(lián)較高也沒問題。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)營商可以通過補(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(shè)天線是全向性的。但對于多數(shù)基站來說，事實并非如此。信號強(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，在測試八天線系統(tǒng)時，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優(yōu)勢，LTE和LTE-A系統(tǒng)會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，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)，以智能化的方式對噪聲加以抑制。這類方案會增加MIMO信道仿真的復(fù)雜性。此外，它們還會帶來如下的測試挑戰(zhàn)：

信道的數(shù)量：要想對一個波束賦形系統(tǒng)進(jìn)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(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(xì)節(jié)考慮在內(nèi)。

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(dǎo)致測試臺尺寸出現(xiàn)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(jìn)行相位校準(zhǔn)，而對系統(tǒng)的波束賦形能力進(jìn)行測試。有效的信道相位校準(zhǔn)和調(diào)整都是實現(xiàn)可靠和高效測試的關(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)，而無法對真實系統(tǒng)性能進(jìn)行評價。例如，極化會影響用戶設(shè)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(shè)備相對于eNodeB天線陣列的方向。

天線模式也對信號強(qiáng)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(dāng)天線模式和極化結(jié)合在一起時，這個問題會變得更加難以應(yīng)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(chǎn)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(jìn)行測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。波束賦形本質(zhì)上包含兩個步驟：估計用戶設(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(xiàn)象會帶來兩個基本問題：系統(tǒng)跟蹤用戶設(shè)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(yùn)行條件的動態(tài)場景來對波束賦形系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)對所描述的這些挑戰(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，以及在動態(tài)(運(yùn)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(shù)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(xiàn)代系統(tǒng)。傳統(tǒng)的信道仿真器可能占用一個40U機(jī)架，并且需要大量的外部RF硬件才能實現(xiàn)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(shù)的進(jìn)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(yīng)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(shè)備。所需的測試拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含一個8×4雙向MIMO信道(也就是具有32個數(shù)字信道的16個RF信道)。另外一個實例就是IRC。對IRC進(jìn)行測試，需要eNodeB BTS(本測試案例中的被測設(shè)備(DUT))從一個“期望”的用戶設(shè)備和多個引起干擾的用戶設(shè)備接收信號，并且測試還要考慮到衰落的效應(yīng)。

隨著新技術(shù)的開發(fā)和現(xiàn)有技術(shù)在高天線數(shù)MIMO系統(tǒng)中的部署，未來還會出現(xiàn)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(shè)備條件下進(jìn)行此類測試則會帶來一些重大的挑戰(zhàn)，因為有多種復(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)會使用信號處理來發(fā)揮多用戶設(shè)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(dāng)用戶設(shè)備連接至多個eNodeB BTS時(通常在重疊的蜂窩邊緣處)，該技術(shù)會對網(wǎng)絡(luò)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(shè)置。集成式解決方案的信道密度所發(fā)揮的作用遠(yuǎn)不止于在有限的實驗室空間中應(yīng)對大量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。
 

圖4：這種緊湊的測試設(shè)置可應(yīng)對雙流波束賦形、MU-MIMO和CoMP測試場景。

幾何信道模型

當(dāng)需要對LTE和LTE-A系統(tǒng)的先進(jìn)天線技術(shù)進(jìn)行測試時，基于相關(guān)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(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假設(shè)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(dá)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(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(zhì)上為天線模式和極化提供了支持。由于這些特性，GCM已被選定對下一代無線技術(shù)進(jìn)行評估。

實時衰落

實現(xiàn)反復(fù)試驗的研發(fā)故障診斷。在動態(tài)或移動場景中，信道參數(shù)會隨時間而改變。實時衰落使研發(fā)人員可對信道參數(shù)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(shè)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(jìn)行故障診斷。加上幾何信道建模，實時衰落使得工程師能夠?qū)σ豁椈蚨囗椥诺绤?shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且立即獲得響應(yīng)。這種“反復(fù)試驗的故障診斷”方法在產(chǎn)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(xiàn)更新的無線應(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)雜性都必然會與日俱增。這種趨勢將對用先進(jìn)天線技術(shù)對LTE和LTE-A進(jìn)行測試構(gòu)成巨大的挑戰(zhàn)。因此，有關(guān)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(shù)量提高四倍，而研究人員已經(jīng)開始探討需要2×2系統(tǒng)8倍天線組件數(shù)量的技術(shù)。如果在實驗室中復(fù)現(xiàn)互易式高天線數(shù)測試場景，將會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)又會帶來另一挑戰(zhàn)。當(dāng)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(jìn)行測試必不可少。

能夠應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的有效測試方法，必須使用可支持各種先進(jìn)天線技術(shù)的幾何信道建模。它還必須能夠以實時方式運(yùn)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(xì)節(jié)，并且能夠在緊湊的尺寸中實現(xiàn)這些功能。