梁學(xué)俊 馬玉娟 張志華

【摘 要】通常將物理層吞吐量作為MIMO OTA測(cè)試的性能指標(biāo)，而多天線設(shè)備主要以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，網(wǎng)絡(luò)層吞吐率的測(cè)試與應(yīng)用相關(guān)性更高。從多天線傳輸模式和MIMO OTA實(shí)現(xiàn)方式等方面介紹了網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試的原理和方法，從工作層次、測(cè)試目的和影響對(duì)象等角度分析了物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量的差異，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比和分析，說明以網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試作為基于用戶體驗(yàn)的MIMO OTA能力評(píng)估是必要的。

MIMO OTA；多天線；網(wǎng)絡(luò)層；吞吐量

1 引言

目前，多天線技術(shù)（MIMO）已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于4G LTE/LTE+、Wi-Fi設(shè)備，并將繼續(xù)用在5G產(chǎn)品中。通過在收發(fā)兩端同時(shí)配置多根天線，利用無線傳播的多徑效應(yīng)建立并行的空間傳輸通道，并運(yùn)用先進(jìn)的移動(dòng)通信和信號(hào)處理技術(shù)，在不增加帶寬和發(fā)射功率的情況下成倍提高無線通信的速率和可靠性。

對(duì)于MIMO，最直觀的認(rèn)識(shí)就是配置了多根天線的無線路由器，實(shí)際上大部分市售的4G LTE設(shè)備，下行使用的都是2×2 MIMO技術(shù)。對(duì)于即將到來的LTE+，將可能使用4×4乃至8×8 MIMO以便實(shí)現(xiàn)更好的用戶體驗(yàn)。這意味著多天線設(shè)備內(nèi)部空間需要設(shè)計(jì)出4根乃至8根接收天線，而多個(gè)天線單元之間還需要保持較好的增益平衡性和較高的隔離度。這對(duì)于那些體積較小的設(shè)備，尤其是需要支持多種通信模式及工作頻段的設(shè)備，設(shè)計(jì)難度較大。這就需要依賴完善的天線性能測(cè)試技術(shù)得到準(zhǔn)確的反饋，來對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行高效地迭代優(yōu)化。

通常采用OTA 測(cè)試的方法，從設(shè)備整機(jī)的發(fā)射功率和接收靈敏度兩個(gè)方面考察天線性能。但對(duì)于多天線設(shè)備，其性能同時(shí)取決于收發(fā)天線、基帶芯片算法與外部信道環(huán)境，傳統(tǒng)的OTA測(cè)試方法已無法適用。必須在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中使用空口測(cè)試方法模擬出目標(biāo)信道環(huán)境，使多天線設(shè)備性能評(píng)估變得真正地可控制、可重復(fù)，這被稱為MIMO OTA測(cè)試技術(shù)，由于涉及到電波傳播、信道建模、數(shù)字信號(hào)處理及電磁場(chǎng)與微波等理論，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性和專業(yè)性大大增加[1]。

2 多天線傳輸

多天線技術(shù)根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，可分為空間復(fù)用、空間分集和波束賦形三種模式。

（1）空間復(fù)用指發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流分成多路并行低速數(shù)據(jù)流，每個(gè)數(shù)據(jù)流可進(jìn)行獨(dú)立的編碼和調(diào)制，并按預(yù)先定義的映射規(guī)則將各子數(shù)據(jù)流分配到不同的天線上發(fā)射[2]。利用不同空間信道間具有獨(dú)立的衰落特性，在接收端采用最小均方誤差或者串行干擾刪除等技術(shù)，就能夠區(qū)分出這些并行的數(shù)據(jù)流。這種方式下，使用相同的頻率資源可以獲取更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這意味著頻譜效率和峰值速率都得到了改善和提髙。

（2）空間分集指發(fā)送端將同一信息進(jìn)行正交編碼后從多根天線上發(fā)射出去的分集方式，由于空時(shí)碼字各行各列之間滿足正交性，所以在接收端只需做簡(jiǎn)單的線性處理，即可將信號(hào)區(qū)分出來并進(jìn)行合并，從而獲得分集增益。正交編碼相當(dāng)于在發(fā)射端增加了信號(hào)的冗余度，因此可以減小由于信道衰落和噪聲所導(dǎo)致的信號(hào)錯(cuò)誤率，使傳輸可靠性和覆蓋范圍增加[3]。分集技術(shù)主要用來對(duì)抗信道衰落。

（3）波束賦形根據(jù)是否反饋信道狀態(tài)信息，可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型[4]。開環(huán)波束賦形接收端不反饋任何信道狀態(tài)信息，發(fā)送端僅通過對(duì)信道的準(zhǔn)確估計(jì)，采用多根天線產(chǎn)生一個(gè)具有指向性的波束，將信號(hào)能量集中在欲傳輸?shù)姆较颍瑥亩嵘盘?hào)質(zhì)量，降低用戶間的干擾。閉環(huán)波束賦形時(shí)，發(fā)送端通過信道反饋可以了解全部或者部分信道狀態(tài)信息，將信道矩陣進(jìn)行分解得到相互正交的若干并行子信道，通過在這些并行子信道中同時(shí)傳輸不同的信息，在獲得分集增益的同時(shí)，還可以通過陣列增益以消除或抑制干擾的影響，從而大幅度提高數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性。

上述三種多天線傳輸模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，多天線設(shè)備通常會(huì)根據(jù)自身所處的信道環(huán)境，自適應(yīng)地選擇適合的實(shí)現(xiàn)方式，比如，在低移動(dòng)速度環(huán)境下采用波束形成技術(shù)比較合適，而在高移動(dòng)速度環(huán)境下采用空時(shí)編碼是較好的選擇。

3 MIMO OTA測(cè)試

由上述可知，多天線設(shè)備根據(jù)信道環(huán)境自適應(yīng)地選擇傳輸模式，這使得信道模型成為其性能測(cè)試研究和實(shí)現(xiàn)的重要參考依據(jù)。多天線設(shè)備性能的評(píng)估，最終被歸結(jié)為基帶算法與射頻天線作為一個(gè)整體，在經(jīng)歷不同信道時(shí)，對(duì)時(shí)延、多普勒頻移、空間相關(guān)性和極化信息的處理能力。這決定了MIMO OTA測(cè)試的一個(gè)核心內(nèi)容是對(duì)現(xiàn)實(shí)信道的實(shí)驗(yàn)室重建工作[5]。

當(dāng)前，有三種不同的MIMO OTA測(cè)試方案正在被國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP和CTIA等進(jìn)行研究及討論。

（1）多探頭法：主要原理是利用暗室消除電波的無用反射，信號(hào)通過信道仿真器經(jīng)歷預(yù)定義的信道模型后，經(jīng)空間輻射傳播到多天線設(shè)備，使之經(jīng)歷所需要的信道衰落。典型的實(shí)現(xiàn)方式如圖1所示，在電波暗室里安裝多個(gè)探頭天線，每個(gè)探頭的水平和垂直極化通道均與暗室外信道仿真器的輸出端口一一對(duì)應(yīng)相連。測(cè)試系統(tǒng)通過信道仿真器計(jì)算并控制暗室內(nèi)各個(gè)探頭天線所發(fā)射的信號(hào)，使得所有探頭輻射的信號(hào)在被測(cè)設(shè)備周圍相互疊加后與期望信道模型中下行信號(hào)具有相同的功率角度譜、多普勒頻移和空間相關(guān)性，從而達(dá)到在暗室中模擬現(xiàn)實(shí)信道環(huán)境的目的。對(duì)無線信道中多徑衰落，功率延遲以及多普勒效應(yīng)的模擬是在信道仿真器中實(shí)現(xiàn)的，空間方向性（到達(dá)角）的模擬是通過安裝在不同方向上的探頭天線以及功率配比實(shí)現(xiàn)的[6]。

這種方法要將暗室、多探頭天線、功率放大器、射頻開關(guān)及測(cè)控軟件集成起來，與信道仿真器協(xié)同工作。缺點(diǎn)是成本過于昂貴，系統(tǒng)校準(zhǔn)與驗(yàn)證復(fù)雜。但優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的，這種方法將多天線設(shè)備經(jīng)歷的信道環(huán)境在實(shí)驗(yàn)室里可控地再現(xiàn)，能實(shí)時(shí)觀察并記錄其吞吐量表現(xiàn)，這不僅是測(cè)試認(rèn)證的需要，同時(shí)也能為芯片研發(fā)、天線設(shè)計(jì)人員改善新技術(shù)、新算法提供協(xié)助。因此這種方法認(rèn)可度很高，也是3GPP和CTIA所指定的測(cè)試方案。

（2）兩步法：顧名思義，該方法包括兩個(gè)步驟。第一步在暗室中測(cè)量天線增益，產(chǎn)生三維或二維的天線方向圖。這里，被測(cè)多天線設(shè)備的芯片組必須支持測(cè)量天線單元的相對(duì)功率和相位，以便計(jì)算天線方向圖。第二步，將信號(hào)通過信道模型與天線方向圖結(jié)合在一起，利用傳導(dǎo)法進(jìn)行吞吐量的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示。這個(gè)方法對(duì)無線信道特征的模擬也是在信道仿真器中實(shí)現(xiàn)的，但對(duì)空間方向性的模擬是通過先測(cè)量天線方向圖，然后在信道仿真器中用天線方向圖和不同方向的衰落信道卷積來實(shí)現(xiàn)的。

這種方法優(yōu)點(diǎn)是可以在現(xiàn)有的單天線（SISO）OTA暗室上進(jìn)行升級(jí)，測(cè)量系統(tǒng)搭建和校準(zhǔn)比較簡(jiǎn)單，因此相對(duì)經(jīng)濟(jì)，3GPP對(duì)這種方法予以接受[4]，缺點(diǎn)為不是實(shí)時(shí)測(cè)量。另外，由于它使用的是基帶仿真技術(shù)來完成無線信道的模擬，要求基帶廠家必須支持，這就造成在被測(cè)設(shè)備的適用性上有所限制。

（3）混響室（RC）法： 混響室的概念與電波暗室正好相反，后者盡量避免信號(hào)在傳播到被測(cè)設(shè)備之前經(jīng)歷反射，而前者則通過各種方法使信號(hào)在混響室內(nèi)部盡量多地經(jīng)歷反射之后再傳達(dá)到被測(cè)設(shè)備，形成所謂的瑞利衰落。RC法利用一個(gè)金屬腔或一組足夠大的腔體提供多種駐波模式，信道模型通過金屬攪拌片、轉(zhuǎn)臺(tái)、源天線和攪頻技術(shù)合成實(shí)現(xiàn)，攪拌器和設(shè)備轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得信號(hào)傳播的功率和時(shí)間延遲在混響室內(nèi)不斷變化，模擬出豐富的均勻且各向同性的多徑衰落環(huán)境。攪拌器的攪拌速度和混響室的幾何尺寸也會(huì)直接影響信號(hào)的傳播，由此模擬一定參數(shù)可調(diào)的信道傳播模型[7]。

RC法的最大優(yōu)點(diǎn)是便宜，靈活性比較高。由于不需描述空間信息，測(cè)試速度快，且在測(cè)試過程中進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)平均，使得結(jié)果數(shù)據(jù)顯得穩(wěn)定。缺點(diǎn)是無法在不同的功率、時(shí)延及到達(dá)角的條件下直接控制發(fā)射信號(hào)，只能給出最終信號(hào)服從瑞利分布的一個(gè)統(tǒng)計(jì)模型，因此適合做定性分析而不適合做定量測(cè)量。在這種情況下，一個(gè)混響室+信道仿真器的升級(jí)方案（RC+CE）就被提出來，如圖3所示。信號(hào)在進(jìn)入混響室之前，通過信道仿真器加入時(shí)延與多普勒頻移，用以彌補(bǔ)原單一RC法的不足。這種方法雖然在一定程度上解決了混響室在模擬信道模型時(shí)遇到的問題，但在引入信道仿真器的同時(shí)也弱化了原單一RC法在經(jīng)濟(jì)性上的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)于角度擴(kuò)展、到達(dá)角等空間域特征，由于混響室自身的固有條件限制，仍無法復(fù)現(xiàn)，這使多天線設(shè)備在空間相關(guān)性的驗(yàn)證能力，尤其是極化鑒別能力大幅下降[8]。

綜合來看，從測(cè)試有效性上多探頭法無疑是最優(yōu)且最無爭(zhēng)議的，但從成本考量則混響室法是最經(jīng)濟(jì)的方法，而兩步法則是處于有效性和經(jīng)濟(jì)性之間的一種折衷考慮，但由于其是基帶仿真，必須得到基帶廠家的支持，這就造成在被測(cè)設(shè)備的適用性上有所局限[9]。僅從3GPP會(huì)議提案中顯示的不同測(cè)量方法不確定度分析數(shù)據(jù)來看：多探頭法是2.65 dB，兩步法是2.08 dB，混響室+信道仿真器方法是2.59 dB，在正確實(shí)施的前提下，這三種方法的測(cè)量結(jié)果差異是有限的。

4 網(wǎng)絡(luò)層性能測(cè)試

當(dāng)前，物理層吞吐量作為MIMO OTA測(cè)試的性能指標(biāo)被廣泛接受。然而大部分多天線設(shè)備是以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量與應(yīng)用相關(guān)性更高，更貼近用戶體驗(yàn)，所以基于MIMO OTA的網(wǎng)絡(luò)層吞吐率測(cè)試是一種更加契合的方案，可應(yīng)對(duì)設(shè)備形態(tài)、服務(wù)類型和用戶體驗(yàn)所發(fā)生的變化。

物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試工作層次不同、目的不同：物理層速率體現(xiàn)的是無線介質(zhì)中的通信傳輸質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò)層速率體現(xiàn)的是組網(wǎng)、業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度、確認(rèn)或否認(rèn)字符（ACK/NACK）后實(shí)際應(yīng)用速率。影響對(duì)象不同：物理層速率主要受無線信道質(zhì)量影響，例如信噪比、參考信號(hào)功率等；網(wǎng)絡(luò)層速率則在物理層的基礎(chǔ)上，受到業(yè)務(wù)類型和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的影響[10]?？梢哉f，物理層吞吐量是MIMO OTA測(cè)試的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量是MIMO OTA在數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)代，基于用戶體驗(yàn)的測(cè)試能力擴(kuò)展。

本文以多探頭法測(cè)試兩天線設(shè)備為例說明兩種測(cè)試的差異。暗室內(nèi)部分主要由縱環(huán)測(cè)量天線陣列、橫環(huán)測(cè)量天線陣列、通信天線、轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、激光定位等裝置組成。其中縱環(huán)和橫環(huán)測(cè)量天線陣列分別用于SISO和MIMO測(cè)試，通信天線用于在被測(cè)設(shè)備與外圍測(cè)試儀表之間建立通信連接，轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)用于控制被測(cè)設(shè)備水平方位角，激光定位系統(tǒng)用于輔助被測(cè)設(shè)備在暗室內(nèi)的定位。除暗室外，系統(tǒng)還包含外圍測(cè)試儀表，主要是綜測(cè)儀、信道仿真器、多通道射頻放大器、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和探頭陣列控制器等。

在物理層吞吐量測(cè)試時(shí)，利用綜測(cè)儀模擬輸出兩路下行信號(hào)進(jìn)入信道仿真器，信道仿真器根據(jù)預(yù)先選擇的信道模型，對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，得到經(jīng)過指定信道模型衰落后，從不同水平角度到達(dá)被測(cè)設(shè)備的下行信號(hào)，然后將計(jì)算得到的來自不同角度的下行信號(hào)通過多通道放大器，一一映射到暗室內(nèi)橫環(huán)測(cè)量天線陣列上的多根測(cè)量天線上，多根測(cè)量天線同時(shí)發(fā)射，從而在被測(cè)設(shè)備周圍模擬出所需的具有特定角度擴(kuò)展、功率延遲和多普勒效應(yīng)的空間信道場(chǎng)景。

被測(cè)設(shè)備的單路上行信號(hào)由一根通信天線反饋到綜測(cè)儀，從而在綜測(cè)儀與被測(cè)設(shè)備之間建立起上下行通信環(huán)路。綜測(cè)儀和信道仿真器共同工作，控制下行信號(hào)功率以及下行發(fā)射信噪比。綜測(cè)儀通過下行參考測(cè)量信道所設(shè)定的數(shù)據(jù)量以及終端所反饋的ACK/NACK信息，測(cè)量被測(cè)設(shè)備在不同下行功率和信噪比條件下的吞吐量，即為物理層吞吐量。網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試則在上述基礎(chǔ)上，使用Iperf軟件建立綜測(cè)儀和被測(cè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層連接。Iperf是一款網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試工具，可以根據(jù)需要調(diào)整多種參數(shù)，可以報(bào)告帶寬、延遲抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失。網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試時(shí)，被測(cè)設(shè)備以服務(wù)器的方式運(yùn)行Iperf，測(cè)試端以客戶端方式運(yùn)行Iperf，并向被測(cè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)包，測(cè)試端讀取Iperf顯示的吞吐量，即為被測(cè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)層吞吐量。

5 測(cè)試結(jié)果對(duì)比和分析

針對(duì)多款支持2×2 MIMO的4G LTE終端樣機(jī)，在FDD Band 3頻段分別進(jìn)行了物理層和網(wǎng)絡(luò)層的吞吐量測(cè)試。其中下行參考測(cè)量信道參照3GPP TS 36.521進(jìn)行配置[6]，信道仿真器設(shè)置為SCME Umi城市微小區(qū)模型，測(cè)試方式采用降功率，擺放姿勢(shì)為Portrait 45。測(cè)量結(jié)果及對(duì)比如圖4至圖7所示。

由圖4中樣機(jī)1和圖5中樣機(jī)2的數(shù)據(jù)顯示，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量相比物理層均存在一定差距，兩者的下降起始點(diǎn)基本一致，但網(wǎng)絡(luò)層吞吐量要先于物理層開始下降，且下降更快，物理層在70%功率電平下，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)性能已經(jīng)很低劣。比如：樣機(jī)1在RS-EPRE為-98 dBm/15 kHz時(shí)，物理層吞吐量測(cè)試結(jié)果約為55 Mb/s，但此時(shí)網(wǎng)絡(luò)層吞吐量幾乎已經(jīng)下降至零。由此說明，傳統(tǒng)的MIMO OTA物理層吞吐量測(cè)試結(jié)果并不能很好地匹配數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)表現(xiàn)，與用戶體驗(yàn)有明顯差異。

圖6和圖7分別是三款樣機(jī)的物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試結(jié)果，比較可知，按照物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量排序，不同樣機(jī)前后次序可能不同。如圖6，樣機(jī)A在物理層測(cè)試時(shí)，吞吐量性能最優(yōu)，同時(shí)樣機(jī)B也明顯好于樣機(jī)C。但圖7顯示，在網(wǎng)絡(luò)層測(cè)試中，樣機(jī)A在大部分情況下性能最差，而樣機(jī)B和樣機(jī)C的吞吐量曲線出現(xiàn)交叉，這說明用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)性會(huì)與物理層吞吐量測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)不一致。

6 結(jié)束語

多天線設(shè)備主要以支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用為主，所以需要更貼近用戶體驗(yàn)的性能測(cè)試方案。本文從多天線傳輸模式和MIMO OTA實(shí)現(xiàn)方式等方面介紹了網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試的原理和方法，并以工作層次、測(cè)試目的和影響對(duì)象等角度論述了物理層和網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試的差異。通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)的對(duì)比和分析表明，網(wǎng)絡(luò)層吞吐量測(cè)試作為基于用戶體驗(yàn)的MIMO OTA能力擴(kuò)展是必要的。但文中所做的實(shí)驗(yàn)僅對(duì)樣機(jī)在一個(gè)頻段一種制式下的一個(gè)擺放位置經(jīng)歷一種類型的信道衰落進(jìn)行了測(cè)試，想要全面地、準(zhǔn)確地評(píng)估多天線設(shè)備的整體性能，需要系統(tǒng)的、完整的評(píng)估方案，這將是下一步研究的重點(diǎn)。

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