以下内容是ETS-Lindgren公司的Foegelle博士以及安捷伦科技的Rumney先生对2011年CTIA MIMO专家论坛上与会代表提出的十个最关注的问题解答，其中部分内容也参考了Elektrobit公司的Nuutinen先生的相关提案。

    如您想了解更多相关信息，可以观看CTIA 2012年MIMO专家论坛的网上直播，该论坛已于2012年5月10号举行完毕，但该网上直播的相关材料会在网上保存至2012年11月10日。网址为：www.microwavejournal.com/WebinarCTIA_10may12。

同时，关于以上专家论坛的PDF资料也可以在www.microwavejournal.com/WebinarCTIA_10may12上下载，如果您有任何问题，可以联系该论坛的组织者：Kristen Anderson，邮箱为：kanderson@mwjournal.com。

 问：对于多天线（MIMO）设备的空间射频（OTA）测试，主要考虑什么测量参数和测试方法？

Foegelle博士：目前针对MIMO-OTA的测试，主要有三种方法，这三种方法都有其自身的优势和劣势，并且每种测试方法都有其改进的测试方案。第一种测试方法是在暗室的环境下利用射频信道模拟器模拟OTA的多径，在被测设备周围模拟仿真一个接近真实环境下的各向不同到达角的衰落信道测试场景。空间信道仿真器将提供这个模拟的真实信道场景，从而在被测设备周围形成一个场。这个方法通常被称为“暗室方法”，利用有限的可实现信道仿真去满足复杂的多变信道环境。对于不同的改进方案，主要是取决于天线阵列单元数目和相应信道模型的变化。第二种测试方法是混响室方法。混响室是一个带有搅拌器的金属箱，通过搅拌在被测物周围形成随机的均匀富多径场，最终产生来自各个方向的统计均匀的分布场。该系统提供了充足的多径环境，使得它成为评估多天线性能的理想方法之一。但是，富多径环境是真实世界中比较不常见的场景，并且其传输延迟并不是LTE网络的典型传输延迟。为了解决以上问题，目前混响室方法开始研究引入信道模拟器来实现仿真更长的时延和衰落。第三种测试方案是拓展传统的暗室测试技术来评估多天线的性能。该方法通过测量被测设备每根天线单元的矢量方向图信息，将得到的幅度和相位信息添加入信道模型中并数字化，从而利用传导测试的方式评估其期望的辐射性能，也称为两步法。由于测量矢量方向图需要引入线缆与天线端相连，这样的话就需要修改被测设备，引入的线缆将会对天线空间的电磁场有一定的影响，这些通常来说是在OTA测试中要尽量避免的。为了解决这一问题，两步法采用射频芯片自身的功能收集天线的幅度和相位的方向图信息。然而OTA测试通常为在端到端链路中测试被评估设备的空间射频辐射性能，从这一观点来看的话，两步法不是一种典型的OTA测试方法，因而其适用性取决于待测试指标。

对于测量参数，大部分人同意采用整体吞吐量指标来作为主要的评价条件。对于传统的TRP和TIS其主要是评估被测设备在传输链路上的性能，而多天线性能事实上更多的评价带宽层面的性能，即在什么情况下吞吐量下降到业务的服务质量不可承受的临界值。但是，即使有这样的定义，对于评估什么样的吞吐量水平依然存在很多问题。问题主要是需要明确是在一个确定的干扰条件下，还是自身内部干扰下评估吞吐量，比较类似传统的TIS测试，该指标既可以是在一个固定的发射功率下进行不同吞吐量的测量，也可以类似灵敏度搜索的方法确定达到目标吞吐量水平的功率大小。

 问：在暗室测试方法中探头环上的天线数对暗室中心静区的大小和质量有怎样的影响？

Foegelle博士：对于由暗室中的天线阵列所组成的射频模拟环境来讲，测试空间中场结构的质量主要取决于边界中的阵列天线的分辨率，而不是所使用的天线总数。对于一个通用的、可重新配置的系统，使用均匀间距的天线阵列是比较合理的方式，其中部分天线还可以被重组为几个局部簇，以实现更好的分辨率来模拟特定的测试环境。传统的静区定义为可用的测试空间体积，然而此定义并不适用于基于信道仿真的多天线阵列测试方法。由于阵列环的直径是测试距离R的两倍，因此阵列尺寸必然大于远场的定义尺寸R=2D²/λ（其中D为被测设备的最大几何尺寸）。故目前还不清楚传统静区的定义是否适用。尽管电场的1/R衰减大概会有影响，但是物理和实验数据证据表明系统的阵列因素会将这种影响减小到最小。对于多天线阵列测试环境，通常我们不使用静区而是使用空间相关场这一概念，也可以将之理解为相关距离。当两根天线之间相距小于相关距离时，两根天线在我们所模拟的场景中的响应是有相关性的。在一个均匀分布的八天线环形阵列中（分辨率为45^o），对应的相关距离大约为0.7λ，并大致随分辨率线性变化。值得注意的是，该相关距离有可能也适用于更大的测试空间。

 问：如何使用场映射来验证MIMO OTA系统？

Foegelle博士：对于由暗室中的天线阵列所组成的射频环境模拟器来讲，仿真质量主要取决于边界天线阵列的分辨率以及系统校准。在一个理想的自由空间条件下，无穷多个平面波汇聚在同一点上将产生一个可预测的驻波，等效于一个各向同性的点源所发射出的球面波的波前。在二维空间上，可以将这种电磁波的波形想象为一滴水滴落在一个无限大的湖面上所激起的波纹。最强的波纹处于中心点，并且随着波向四周的扩散而衰减。如果水滴落在一个理想的圆形水杯的正中心处，波将会传播至水杯边界，然后反射回来形成完全相同的波形。然而，如果在一个圆圈上均匀分布的各点上同时滴下水滴，所形成的反射波形将会非常有趣，而在相当靠近圆心的区域，所形成的波形仍保留着良好的圆对称性。这种波形与OTA仿真环境中的波形十分近似，其中一部分空间的场结构与所期望的自由空间场结构相吻合，在另一部分空间，场结构为十分复杂的干涉场型。通过使用一个X-Y定位器或是转台上的线性定位器，我们可以移动一个探头天线，对测试空间内各点的场结构进行探测，评估测试出的实际场结构与我们所预测的理想场结构的差距。我们同样可以计算给定分辨率下的期望场结构，这样就可以得知由于边界条件的分辨率所导致的结果偏差。而实测和理论结果之间所有额外的偏差则都反映了由于校准和/或测试空间内所不希望的反射所导致的偏离。

 问：如何建模多普勒频移与天线耦合？

Nuutinen先生：信道仿真的实现主要是基于几何原理，将一系列射线（平面波）的响应相叠加，其中各个平面波具有特殊的小尺度参数，例如时延、功率、到达角（AOA）和离开角（AOD）。这些平面波的叠加导致了各天线间的相关性以及带有与几何位置相关的多普勒频移的时域衰落。目前在MIMO-OTA中，多普勒频移的建模方法与前面描述过的在正常信道建模中的方法相同。我们唯一需要做的仅仅是将角域中接收机周围的局部环境进行映射。

天线耦合的建模也很简单。被测设备（DUT）端的天线耦合将会被自动考虑进来（观察被测设备天线耦合的影响也是测试目的之一）；发射端的天线耦合效应可以通过冲击响应乘以复天线增益来反映。

 问:如何校准OTA系统？

Foegelle博士：对于一个由暗室中的天线阵列以及一个RF信道模拟器所组成的RF信道环境仿真测试系统来说，校准工作主要包括三个基本步骤。这一测试用于产生一个已知的由基站模拟器的发射端口到暗室测试空间中心点的信道模型，但是诸如信道模拟器输入输出电缆损耗、放大器增益、天线增益以及路径损耗等因素都会改变信道模拟器所生成的信道模型，因此必须对信道模拟器的输入输出进行预校正来调整消除信道模拟器所生成的各条路径间的相对误差。第一步是通过测量信道模拟器各个输入口的相对路径损耗对输入信号进行归一化，使用测量得到的相对偏差来调整每个RF输入口的参考电平，从而平衡输入信道模拟器的各路信号。此步校正之后，挑选一个输入信号来对所有输出信号进行归一化，这里同样需要首先找到到达测试空间中心点的各条路径间的相对路径损耗，根据得到的相对偏差调整信道模拟器各路输出信号，从而使得信道模型中各路信号到达测试空间中心的路径损耗相等。最后一步是校正系统最后点到点的路径损耗，其中包括了输入输出损耗、信道模型中的固有损耗以及与测试空间中天线数有关的阵列增益等。

 问：哪种测试方法最好？

Rumney先生：这是一个很重要的问题，在不同的评价标准下有不同的答案。针对这个问题，目前的讨论主要围绕技术和商业两个层面。从技术层面出发，是期望可以找到更好地模拟所期望的实际条件的最优方法。目前还没有任何一种方法验证过其与已知天线相比的绝对精度，因而也还没能定义出哪些因素将会对结果产生影响。一些明显的参数，例如功率精度，对结果有直接影响，但是更多细微的因素，诸如在测试空间内信号相关度达到给定要求的静区尺寸等，很难验证其对结果是否有影响。在未来的几个月里，我们将借助参考天线来回答上述部分问题。从商业层面来讲，最节约成本的、可承担得起的方法是最优的方法。大多数多天线暗室方法的演进都是基于节约成本的考虑，当然这是以牺牲最终方案的测试范围为代价的。目前，针对测试系统的简化程度还没能完全量化清楚。例如，一个混响室是否可以提供足够多的空间分集来区分被测设备的好坏？诸如此类的问题只有当使用参考天线对各类测试方法进行验证之后才能得到答案。

 问：哪种测试方法将会被标准化？

Rumney先生：现在讨论哪种方法将被标准化还为时过早。如果不考虑成本因素的话，二维天线探头环、简化的单簇或多簇小型探头阵列可能是初步标准化的候选方案。在三维球面上布置多个探头是可以仿真任意的三维信道，从技术角度来讲是一种很好的方案，但是其造价过于昂贵。目前还没能证实三维方案的必要性，并且其实际实现可能面临一系列的技术约束，例如由于需要大量探头所导致的后向散射。两步法可以解决二维/三维问题，但是目前还没有对其自干扰测试进行定义，这种方案的可能的自干扰测试可选方案正处于研究当中。混响室方案天然地解决了三维模拟问题（实际上这种方案也不可能进行二维实现），但是缺乏对空间信道模型的操控性，从技术层面来讲，这种方案是否是一种好方案还有待于使用参考天线进行仿真验证。如果可以证实有限的空间模型操控性不是问题的话，混响室方案可能也会被纳入标准化。基于所有上述的以及其它各类原因，标准化可能将会选取不止一种方案来获取可对比的、可追踪的结果，这可能导致多种方案同时被标准化所采纳。

 问：来自干扰的挑战主要是什么？

Rumney先生：伴随期望信号的空间和相关特性同时带来的还有非期望信号的特性。在真实场景中，非理想的信干噪比（SINR）限制了空间复用增益。如果SINR为无穷大，则只要达到各个天线的信号间有微弱的区别，接收机就可以对多路码流进行解码。然而，在有干扰（或者噪声）时，接收机解调多路码流的能力有所下降。因此定义干扰信号的特征与定义期望信号的特征同样重要。传统的，人们通常在各向同性白高斯噪声场景中测试接收机性能，这种模型可以很好地反映码分多址（CDMA）网络中的干扰环境，适用于不包含空间因素的电缆测试。然而在OTA测试中，干扰的空间特性非常重要。在多数场景中，干扰信号与期望信号的来波方向不同，有利于具有良好空间分集能力的天线进行接收。如果在各向同性的干扰环境中，或是将干扰的空间特征映射到与信号相同的空间方向上，将无法精确测试得到天线的真正性能。在正交频分复用（OFDM）系统中，干扰具有频率选择性以及时变特性。在CDMA系统中，由于多个用户端设备（UE）的叠加，干扰在整个信道上为一个不随时间变化的常数，但是在OFDM系统中，由于正交窄带频域调度，干扰是窄带的、统计的，而并非宽带的、时不变的。通过仿真和测试，我们将理解定义干扰特性的重要性，从而为MIMO-OTA测试确定正确的测试环境。

 问：请解释芯片标准（幅度和相位）

Rumney先生：3GPP正在研究中的一种测试方法，即两步法，需要借助设备芯片在UE端测量其天线方向图。这并不是一个理想的情况，因为这种方案部分地依赖于参与标准化以及UE研发的单位。不过，这种方案的优势在于一旦得以实施，可以从另外一种途径低成本地实现任意的三维场景仿真。这种测试提案需要UE反馈其各个天线上接收信号的绝对功率值以及各个天线间的相位。功率的测量比较简单，在衰落条件下上报参考信号接收功率强度（RSRP）就可以测量功率。对于MIMO-OTA，天线图测量阶段的测试条件是静态的，并且绝对精度并不重要。功率测量的线性度对结果有影响，不过如果必要的话，这可以在后期进行线性化处理。相位测量在之前的测试方法中没有过类似的应用，但是从概念上讲是一个简单的测试，可以在UE端得到高精度测试结果。前期来自一个芯片厂商在几种不同的UE设计下的结果表明，基于天线方向图的测量结果可以很好地模拟传统暗室多探头测试方案的结果。

 问：标准化工作将持续多久？

Rumney先生：CTIA的目标是在2013年中期完成一个测试方法的标准化，当然驱动力量主要来自技术可信度而不是时间节点。3GPP将要开始一个相关的工作项目，但是预计的完成日期还属未知。3GPP额外地可能会规定使用其标准中测试方法时的性能要求，这一最终步骤可能将会占用大量时间。以单天线（SISO）系统为例，3GPP在完成测试方法的标准化后，用了大约三年时间才在网络运营商与UE厂商间就性能要求达成一致。对于MIMO-OTA而言，在性能要求上达成一致将会非常困难。这也许意味着3GPP可能会参考CTIA标准，仅仅限于评估测试设备性能基准的测试方法，而不是规定明确的合格/不合格判定指标。

 致谢

向对本文做出贡献的工业和信息化部电信研究院天线性能实验室的郭琳先生和安旭东先生表示诚挚的谢意。郭琳先生的邮箱为：guolin@emcite.com；安旭东先生的邮箱为：anxudong@emcite.com。

 作者简历
Michael D. Foegelle博士是ETS-Lindgren公司的技术开发总监。其在德州大学奥斯丁分校获得博士学位，专业方向包括对物理和电磁兼容的理论分析和实际测试。他与UT的J. D. Gavenda博士合作开发了一套半电波暗室的建模系统。自1994年开始，他加入EMCO公司（即现在的ETS-Lindgren），专注于无线、射频、EMC测试相关的产品、软件、测试方法的研发。他是多个美国以及国际标准组织的成员，包括ANSI ASC C63®、CTIA ERP工作组、IEEE 802.11 Task Group T、CTIA/Wi-Fi Alliance CWG工作组以及WiMAX Forum RPT工作组。Foegelle博士是CTIA MIMO暗室工作组的副组长以及CTIA/Wi-Fi Alliance CWG工作组的副组长，同时也是WiMAX Forum RPT标准的主要技术贡献者和编辑人。他的邮箱为：michael.foegelle@ets-lindgren.com。

 Moray Rumney先生在1984年爱丁堡大学毕业后加入了HP/Agilent公司。其主要研究方向是设计和开发手机终端测试所用的网络模拟器，他分别于1991年和1999年加入ETSI和3GPP, 成为GSM/UMTS/LTE认证测试的重要贡献者。目前做为Agilent科技在3GPP RAN4工作组的代表，主要在参与HSPA+, LTE and LTE-Advanced 的相关工作。他的邮箱为：moray_rumney@agilent.com。

上图是ETS-Lindgren公司生产的一个典型的MIMO OTA测试系统，型号为AMS-8947,具有3.5米的测试距离。该系统提供了47个探头用于SISO测试，同时，它也提供了一个可选的水平MIMO环来提供更多的测试能力。