吳醒峰 博士 IEEE高級會員 教授級高級工程師
廣播電視規(guī)劃院（ABP）

本文刊登于《微波射頻技術(shù)》雜志 2015無線射頻專刊

一、引言

作為高速無線通信的重要技術(shù)，MIMO(多輸入多輸出)已經(jīng)被LTE、LTE-A及WiFi 802.11ac等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范所采納，且將毫無懸念地繼續(xù)應(yīng)用于未來的5G高速無線通信系統(tǒng)當(dāng)中。近年來配置了多根天線的WiFi路由器在家用市場上出現(xiàn)，則是一般消費(fèi)者對于MIMO最直觀的認(rèn)識——實際上在各類4G手機(jī)內(nèi)部早已布置有多根（2根接收）天線，也就是說，4G用戶其實每天都在使用MIMO技術(shù)。

圖1  在北京4號線地鐵使用4G上網(wǎng)的人們

雖然目前包括iphone 6等在內(nèi)大部分市售4G手機(jī)，下行使用的都是2x2 MIMO技術(shù)，但對于即將到來的LTE-A來說，將可能使用4x4乃至8x8以便實現(xiàn)更為極速的用戶體驗，這意味著在手機(jī)的狹小空間內(nèi)需要設(shè)計出4根乃至8根接收天線——而依靠這8根天線是否能達(dá)到理論速率的目標(biāo)？對于研發(fā)來說，就必須依賴于完善的MIMO性能測試技術(shù)所得到的準(zhǔn)確反饋，從而對原設(shè)計方案進(jìn)行高效地優(yōu)化。

然而對于MIMO這樣一個系統(tǒng)，其無線性能同時取決于收發(fā)天線、基帶芯片算法與外部信道環(huán)境，常規(guī)的傳導(dǎo)測試早已無法適用，必須模擬目標(biāo)信道環(huán)境，使用空口測試方法OTA(Over The Air)考察整機(jī)性能，這種針對多天線設(shè)備的無線性能進(jìn)行測試評估的方法被稱做MIMO OTA^[1]。圖2中顯示的就是使用MIMO OTA方法對不同手機(jī)無線性能進(jìn)行排位的情況，當(dāng)然這張圖僅僅顯示了某一個頻段及特定條件下的測試結(jié)果。

圖2 MIMO OTA測試案例示意（數(shù)據(jù)來源：ABP MIMO OTA實驗室）

二、MIMO OTA的三種流派

早在2009年，歐洲COST 2100（http://www.cost2100.org/）就對MIMO OTA進(jìn)行了學(xué)術(shù)方面的討論和探索，并開始向3GPP進(jìn)行輸出，到2015年，陸續(xù)有以下三類解決方案漸趨穩(wěn)定：

1. 多探頭方案（MPAC：Multi-Probe Anechoic Chamber）：MPAC是目前被學(xué)術(shù)界和工業(yè)界最廣為接受的一種方案，能夠可控地復(fù)現(xiàn)信道在時域、頻域、空間域的特性，已被多個標(biāo)準(zhǔn)組織的認(rèn)可；由于其原理的完善性，該方案的演進(jìn)還可能應(yīng)用于未來的WiFi AP、基站、車聯(lián)網(wǎng)以及Massive MIMO等測試場景。

圖3. MPAC方案示意圖（中科國技HWA-TECH提供）

2. 混響室方案（RC：Reverberation Chamber）：作為一種經(jīng)濟(jì)型方案，混響室用于MIMO OTA測試從一開始就受到了企業(yè)天線設(shè)計、測試部門的歡迎；但RC方案最不可逾越的，是其在重建信道空間域特性時的局限性，而空間域正是MIMO最重要的技術(shù)突破所在——而缺乏對空間域（如離開角、到達(dá)角、角度擴(kuò)展等）特性的控制，使得該方案將難以承載未來MIMO研發(fā)測試的需求，這對前期已購買RC方案的廠商來說，是一個很大的投資風(fēng)險。

3. 輻射兩步法（RTS：Radiated Two Stage）：從2009年由Agilent公司提出的傳導(dǎo)兩步法演進(jìn)至今，其理論基礎(chǔ)與MPAC一致，只是在實現(xiàn)方法上需要得到手機(jī)芯片的支持：根據(jù)芯片上報的信息，計算得到終端的矢量方向圖，再代入第二步進(jìn)行吞吐量測試；僅就目前2x2 下行測試來說，該方案在理論層面是成立的，但其最大瓶頸是工程實施與工業(yè)推廣，另外，RTS的測試準(zhǔn)確度或精度將受限于被測終端的上報數(shù)據(jù)。

此外，以前還出現(xiàn)過的一些提案，如松下提案、索尼愛立信提案等等，隨著時間的推移，因各種原因已漸漸不再提及，在此不作詳述。

三、國際/國內(nèi)MIMO OTA標(biāo)準(zhǔn)化最新進(jìn)展

1. 國內(nèi)：CCSA

在MIMO OTA標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)展方面，國內(nèi)基本與國際同步甚至領(lǐng)先，由中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（www.CCSA.org.cn）牽頭制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2869.1 -2015 《終端MIMO 天線性能要求和測試方法第一部分：LTE無線終端》已率先于2015年7月頒布實施，這一版的行標(biāo)正文中規(guī)定采用MAPC作為唯一的測試方案，而RTS僅在作為輔助信息在附錄中出現(xiàn)，RC方案則完全沒有進(jìn)入該標(biāo)準(zhǔn)^[2]。

2. 北美：CTIA

CTIA作為北美運(yùn)營商的一個技術(shù)聯(lián)盟，其主旨更多地是為運(yùn)營商服務(wù)，而運(yùn)營商對MIMO OTA的主要需求，是區(qū)分不同4G手機(jī)終端的性能優(yōu)劣。

CTIA作為一個偏工業(yè)化的組織，相比于3GPP RAN4，其運(yùn)行更為高效，但即便如此，直到2015年8月才出臺MIMO OTA的第一個正式版本《Test Plan for 2x2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over-the-Air Performance》^[3]。在這一版本的標(biāo)準(zhǔn)中，MPAC被唯一地指定為可同時擔(dān)負(fù)手機(jī)的TM3（空分）模式和TM2（分集）模式測試的方案。在未來版本中有計劃將RC方案引入，但RC限定只能承擔(dān)TM2，而不得進(jìn)行TM3模式的測試。

圖4. 北美CTIA制定MIMO OTA測試計劃

3. 歐洲：COST IC1004

COST是European COoperation in Science and Technology的縮寫，意為歐洲科學(xué)與技術(shù)研究合作，是由歐洲各政府之間協(xié)作成立的研究合作方面最悠久也是最大的跨政府網(wǎng)絡(luò)，COST IC1004 action (www.ic1004.org)始于2011年，是2010年結(jié)束的COST 2100 action的延續(xù)，其前身分別為COST 207/231/259/273/2100等五個Action，該行動由36個國家的120多個大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和公司組成，其研究目的是：在綠色、純凈、節(jié)能的環(huán)境中進(jìn)行可協(xié)作的通信。其中有五個主題工作組：人體環(huán)境組、機(jī)車環(huán)境組、室內(nèi)環(huán)境組、城市環(huán)境組、空中性能測試組。MIMO OTA的討論就是在空中性能測試組里面進(jìn)行的。

簡而言之，COST的屬性更像是一個松散的學(xué)術(shù)組織，而不是標(biāo)準(zhǔn)組織，也正因相對自由的學(xué)術(shù)環(huán)境，COST 2100及IC1004中對MIMO OTA在技術(shù)層面的討論最為深入和客觀，MPAC/RTS/RC等方案在其中都有多篇重要的論文輸出，大部分研習(xí)電波傳播、信道編碼的專家支持MPAC，而擅長天線設(shè)計的部分學(xué)者則在探索RC完成MIMO OTA的可行性。

4. 3GPP：

3GPP RAN4對MIMO OTA的討論已進(jìn)行了多年，但來自各方的意見一直無法統(tǒng)一，使得標(biāo)準(zhǔn)的制定實際上陷入了停滯狀態(tài)；在2015年8月24-28日在北京舉行的TSG RAN WG4第76次會議當(dāng)中，原計劃“統(tǒng)一”幾種測試方法的目標(biāo)并未達(dá)成，實際上，由于原理上根本差異，幾個方法及其限值的統(tǒng)一本身就是一種政治博弈和數(shù)字游戲。

四、研發(fā)工程師當(dāng)前調(diào)試手機(jī)MIMO性能時的疑惑

研發(fā)、測試工程師在單天線時代習(xí)慣于用天線增益或SISO OTA的TRP、TIS等參量去定義、調(diào)試被測物的天線性能，然而沿用這種思路將在MIMO 時代遇到困惑：MIMO的實際性能強(qiáng)烈地依賴于無線信道，廣義的無線信道包含外部無線傳播環(huán)境，以及收、發(fā)端的天線系統(tǒng)，在討論MIMO的系統(tǒng)容量與信道之間的聯(lián)系時，提及較多的是“空間相關(guān)性”（Spatial Correlation）——這并不是一個定值，而是一個因信道模型而變化的參量。

另一方面，對普通消費(fèi)者來說，技術(shù)參數(shù)對他們是透明的，用戶只看手機(jī)的下載速率高低，即吞吐量——而這也是MIMO OTA的考核指標(biāo)，同時也被運(yùn)營商采納用于區(qū)分手機(jī)性能優(yōu)劣；然而，對于手機(jī)研發(fā)部門來說，則需要在TRP和TIS以外，找到一個新的調(diào)試方法或若干參數(shù)，使得在最終的MIMO OTA吞吐量指標(biāo)不佳時，能夠在研發(fā)的初期通過考核該參數(shù)達(dá)到調(diào)試、提高最終吞吐量的目的。

一個常常被天線工程師引用、測試的參數(shù)是包絡(luò)相關(guān)系數(shù)ECC（Envelope Correlation Coefficient），而令工程師們困惑的是，有時雖然能夠把ECC調(diào)到很低，但MIMO OTA得出的吞吐量性能卻沒有相應(yīng)地得到提升——他們很有可能忽略了ECC本身的定義當(dāng)中所包含的信道參量：角度功率譜（PAS, Power Angular Spectrum）；即，測試軟件做ECC計算時默認(rèn)的信道PAS，很可能與MIMO OTA中標(biāo)準(zhǔn)采用的UMi或UMa不符，這樣一來，ECC與MIMO OTA的吞吐量測試結(jié)果就很難建立對應(yīng)關(guān)系。

目前在CCSA或CTIA所采用的信道模型是多簇UMi或UMa（且僅為2D！），而有些軟件默認(rèn)的則是Taga在[4]中的PAS，在水平面上是均勻分布，而在垂直方向上是高斯分布，如下圖所示：

圖5. Taga 在[4]中所指定信道的空域特征

五、MIMO OTA的未來演進(jìn)：

我個人的看法，未來MIMO OTA將以MPAC為主流方案，在以下幾個方向進(jìn)行演進(jìn)：

1.  WIFi的MIMO OTA：

到目前為止，大部分商用MPAC方案受制與硬件條件，只能完成LTE手機(jī)下行吞吐量測試，然而自從WiFi使用新的802.11ac以后，其MIMO性能的評估與優(yōu)化則備受關(guān)注；從MPAC本身來說是可以支持WiFi測試的，但在信道模型、綜測儀、頻率范圍、帶寬等方面，系統(tǒng)集成商和儀表廠商還需要假以時日。

2.  3D MIMO OTA

如前所述，當(dāng)前無論是CTIA還是3GPP或國內(nèi)行標(biāo)，MPAC方案均局限于2D信道模型，這是在考慮到成本因素后，對真實信道模型的一種簡化。這種簡化會失去了Z軸上的空間域信息，對于未來5G所采用的3D MIMO技術(shù)及其所引入3D信道模型，2D MIMO OTA將無法準(zhǔn)確重建；此外，對于WiFi等室內(nèi)場景，信道在Z軸上的空間域信息將變得更重要，這意味著3D MIMO OTA將是一個重要的研究方向。

在國內(nèi)，通過與中科國技（www.hwa-tech.com）五年來的深度合作，廣播電視規(guī)劃院是第一個也是目前唯一一個建立3D MIMO OTA基礎(chǔ)環(huán)境的實驗室。

圖6. 國內(nèi)首個初步具備3D MIMO OTA研究能力的實驗室

3. 雙向MIMO OTA：

LTE實際上已規(guī)定了利用CSI（Channel State Information）提升TDD和FDD的性能，然而在目前的MIMO OTA測試方案當(dāng)中，由于沒有考慮上行鏈路的信道衰落，對系統(tǒng)及終端整體性能的評估是不盡真實的；在實現(xiàn)雙向MIMO OTA之前，除了成本因素，還需要在算法上考慮FDD上下行信道時的相關(guān)性特征（TDD則可以相對容易實現(xiàn)）；此外，LTE-A中已規(guī)定手機(jī)將執(zhí)行上行4x4 MIMO，也就是說手機(jī)端的4根天線做發(fā)射傳輸上行數(shù)據(jù)，其性能的評估將有賴于雙向MIMO OTA。

4. 人手模型對終端性能的影響

自從IPHONE4出現(xiàn)手握持對信號的影響之后，傳統(tǒng)SISO OTA加入人手、人頭進(jìn)行測試已是趨勢，然而到目前為止，標(biāo)準(zhǔn)化組織還未對MIMO OTA中加入人頭手進(jìn)行討論——這項工作開展之前，首先需要有一個可用于MIMO OTA測試的人手模型，進(jìn)行一些科學(xué)實驗。

2014年，廣播電視規(guī)劃院、中科國技與瑞士Speag合作，在CCSA提出了一個議案，按照中國人手的尺寸，制定了一個人手模型，下一步的工作，就是在這個人手模型的基礎(chǔ)上，做一些MIMO OTA實際測試數(shù)據(jù)的積累和分析。

圖7.可用于MIMO OTA測試的中國人手模型

5. 大尺寸被測物及5G Massive MIMO測試：

MPAC當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)配置的8個探頭實際上能支持的被測物尺寸局限于0.7倍波長^[5]，未來包括大尺寸手機(jī)、pad、筆記本乃至帶有無線收發(fā)功能的電視機(jī)的出現(xiàn)，將大大突破目前測試區(qū)域的極限，在測試區(qū)域之外所經(jīng)歷的信道與目標(biāo)信道不一致，這將使得測試結(jié)果變得不可信；另一方面，Massive MIMO所采用的天線陣列數(shù)量將大大超過目前的規(guī)模，通過傳導(dǎo)逐一考量每一通道的性能是費(fèi)時費(fèi)力的，而且無法驗證作為一個整體的實際效果，此處將可能是MIMO OTA的一個重要應(yīng)用場景——但此時在MIMO OTA中原來的平面波假設(shè)將不再成立，如何解決大尺寸被測物^[6]，乃至Massive MIMO的測試需求，要在信道建模算法層面重新進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新。

除了以上列舉的方向，其他如MPAC的小型化、不確定度分析、干擾加入及虛擬路測等，都是MIMO OTA的重要研究課題，限于篇幅不能一一列舉，取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵在于信道建模算法和理論的創(chuàng)新，同時也需要結(jié)合射頻與微波技術(shù)的經(jīng)驗。可以預(yù)見得到，MIMO OTA這項測試技術(shù)的演進(jìn)，將為未來多天線產(chǎn)品及系統(tǒng)性能的優(yōu)化和提升起到不可替代的重要作用，而其應(yīng)用場景也將不再僅僅局限于手機(jī)測試，更可能發(fā)展到為汽車或基站等大型被測物提供準(zhǔn)確的MIMO性能評估服務(wù)。

作者簡介：

吳醒峰，男，博士，IEEE高級會員，教授級高級工程師，2007年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)并取得博士學(xué)位，同年加入廣播電視規(guī)劃院無線所，2011年12月至2012年11月以訪問學(xué)者身份赴英國York大學(xué)進(jìn)修一年，目前任職廣播電視規(guī)劃院EMC&OTA實驗室主任，2015年8月建立了國內(nèi)第一個3D MIMO OTA實驗室。主要研究領(lǐng)域為無線信道、電波傳播與電磁兼容等。代表廣播電視規(guī)劃院參加歐洲COST IC1004、北美CTIA MIMO OTA組、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）TC9及全國無線電業(yè)務(wù)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會H分會的學(xué)術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化工作，并擔(dān)任聯(lián)絡(luò)人。

本文刊登于微波射頻網(wǎng)旗下《微波射頻技術(shù)》雜志 2015無線射頻專刊，未經(jīng)允許謝絕轉(zhuǎn)載。

參考文獻(xiàn)：

[1]   吳醒峰，楊帆，曹志，張志華，張弛.多天線終端測試方法的演進(jìn)、理論和實踐［J］.廣播電視技術(shù), 2013年,第40卷(增刊2):180-192.
[2]   YD/T 2869.1 -2015 《終端MIMO 天線性能要求和測試方法 第一部分：LTE無線終端》
[3]   CTIA: Test Plan for 2x2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over-the-Air Performance, V1.0
[4]   Taga, T. , Analysis for mean effective gain of mobile antennas in land mobile radio environments, IEEE Transactions on Vehicular Technology 39(2): 117–31, May. 1990
[5]   吳醒峰，張志華，馬玉娟，王衛(wèi)民，蘇明，MIMO OTA測試區(qū)域擴(kuò)大方法及信道建模實現(xiàn)原理[J]，廣播與電視技術(shù), 2014,41(12)，119-128
[6]   Xingfeng Wu, Xudong An, Zhihua Zhang, Weiming Wang, Ming Su. “On the Number of Required Probes for Anechoic Chamber Based Method for MIMO OTA Testing” , April, 2015, EuCap2015.