新浪微博 @吳醒峰¹， 楊帆¹，曹志¹，張志華²，張弛²
1. 國(guó)家新聞出版廣電總局廣播電視規(guī)劃院
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摘要: 多入多出（MIMO，Multi-Input Multi-Output）多天線技術(shù)是高速無(wú)線通信的發(fā)展趨勢(shì)，隨著商用設(shè)備的出現(xiàn)，針對(duì)多天線技術(shù)的測(cè)試方法——MIMO OTA 受到了廣泛的關(guān)注。目前大部分人對(duì)MIMO OTA 的理解停留在觀望階段，由于信道模型的引入，技術(shù)的復(fù)雜性使得各種測(cè)試方案眾說(shuō)紛紜。本文將從信道模型開始闡述MIMO OTA 的基本概念，分類介紹四種主要的測(cè)試方案，通過(guò)我們對(duì)信道模型的驗(yàn)證結(jié)果，從電波傳播的角度證明了多探頭測(cè)試方案的完備性和可行性，最后還描述了多探頭方案的一種折中——單簇法的具體實(shí)現(xiàn)，同時(shí)指出現(xiàn)在在多探頭實(shí)施過(guò)程中各部件的屬性及其設(shè)置對(duì)系統(tǒng)不確定度的影響，建議必須借助信道模型驗(yàn)證和測(cè)試區(qū)域功率驗(yàn)證等方式，以確保整個(gè)系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞: MIMO OTA 單簇法SCM SCME 信道模型 信道驗(yàn)證RS-EPRE 驗(yàn)證SIR 驗(yàn)證

0、引言

近年來(lái)，在高清電視的多屏合一，客廳娛樂(lè)中心等應(yīng)用場(chǎng)景中，iPad、智能電視、OTT 機(jī)頂盒等越來(lái)越多地被消費(fèi)者接受，雖然其業(yè)務(wù)形式還在不斷發(fā)生變革和發(fā)展，而用戶的最終接入方式無(wú)一例外均偏向于使用無(wú)線技術(shù)，一般目前比較常見的無(wú)線家庭接入技術(shù)采用的是WiFi，即IEEE802.11n，如歌華飛視、小米盒子、樂(lè)視電視等。最新的Apple MacBook Air 則采用了更先進(jìn)的IEEE 802.11ac 使之吞吐量達(dá)到1Gbps 以上，接入點(diǎn)Airport Time Capsule 更使用了波束賦形技術(shù)，以Apple 這兩個(gè)本年度力作為代表的下一代無(wú)線通訊方案均指向了多入多出多天線技術(shù)^[1]。在下一代移動(dòng)通信技術(shù)LTE 中，已經(jīng)明確了多天線MIMO 技術(shù)作為其必選項(xiàng)，無(wú)獨(dú)有偶的是，在廣播電視無(wú)線覆蓋中，由于高清、4K等高質(zhì)量視頻格式所要求的高的傳輸速率，在下一代地面數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)中，也將MIMO 列為重要的技術(shù)方案。

MIMO 通過(guò)空時(shí)編碼等技術(shù)，利用傳播信道中非相關(guān)性，可以在不額外消耗頻譜與時(shí)域資源的同時(shí)，成倍地提高通信系統(tǒng)的信道容量，即吞吐量。在傳統(tǒng)的單天線通信系統(tǒng)中，尤其在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信道中的多徑被看做影響通信質(zhì)量而需要用特別的技術(shù)進(jìn)行處理，但在MIMO 系統(tǒng)中，這些具有非相關(guān)性的子徑則可以在數(shù)學(xué)算法的幫助下，得以提高整個(gè)系統(tǒng)的性能，換句話說(shuō)，MIMO 技術(shù)利用了傳播環(huán)境中的空域、時(shí)域、頻域等維度，將高速無(wú)線通信推向了一個(gè)新的級(jí)別。由于MIMO 終端其算法依賴于信道環(huán)境，也即智能地根據(jù)信道環(huán)境優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能，這使得信道模型成為其理論研究與實(shí)現(xiàn)的重要參考依據(jù)。

隨之而來(lái)，對(duì)于最終的MIMO 終端性能測(cè)試與評(píng)估，無(wú)論是研發(fā)階段，還是認(rèn)證階段，都強(qiáng)烈地依賴信道模型。傳統(tǒng)無(wú)線終端一般利用空口測(cè)試（OTA，Over-The-Air）進(jìn)行最終性能評(píng)估，OTA 是利用電波暗室建立一個(gè)無(wú)反射的自由空間，以便評(píng)估該無(wú)線終端的射頻及天線的整體性能；然而，正如前文所述，為了評(píng)估多天線終端而提出的所謂MIMOOTA 技術(shù)，則必須將信道模型在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行真實(shí)的復(fù)現(xiàn)，使MIMO 終端測(cè)試變得真正的可重復(fù)、可控制，由于這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)涉及到電波傳播、信道建模、數(shù)字信號(hào)處理、優(yōu)化算法、電磁場(chǎng)與微波等理論，這大大加深了其復(fù)雜性和專業(yè)性。

廣播電視規(guī)劃院從2011 年開始介入多天線測(cè)試方法的研究，在HWATECH公司的協(xié)助下，于2012 年至2013 年利用搭建的單簇法環(huán)境參加了國(guó)際比對(duì)測(cè)試，由于這個(gè)測(cè)試系統(tǒng)從軟件到硬件的思路和理論都是由我們自己提出并組織實(shí)施的^[39][40]，因此對(duì)于多天線測(cè)試方法原理與實(shí)踐的探索，廣播電視規(guī)劃院已深入到了底層。目前，我們所提出的一些驗(yàn)證方法和測(cè)試用例已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織部分地采納到其測(cè)試方案當(dāng)中^[41][42][14]，結(jié)合我們兩年多對(duì)多天線終端測(cè)試方法的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程的理解，本文將詳細(xì)介紹MIMO OTA 相關(guān)的技術(shù)背景、測(cè)試方法和驗(yàn)證方法，以及廣播電視規(guī)劃院在此領(lǐng)域的研究進(jìn)展等內(nèi)容。

1、信道模型

1.1、信道建模

如前文所述，MIMO 終端的性能，最終被歸結(jié)為基帶算法與射頻天線作為一個(gè)整體，在終端經(jīng)歷不同信道時(shí)，對(duì)時(shí)延、多普勒頻移、空間相關(guān)性、極化信息的處理能力。這決定了MIMO OTA 的一個(gè)核心內(nèi)容是對(duì)現(xiàn)實(shí)信道的重建工作。

信道建模是一個(gè)由來(lái)已久的科研領(lǐng)域，出于不同的目的，人們建立了各種各樣的信道模型。圖1 引用了[2] 中對(duì)信道模型的歸類，比較全面地概括了信道模型的種類。在MIMO OTA 當(dāng)中我們一般需要使用基于幾何的隨機(jī)信道模型（GSCM，Geometry based Stochastic Channel Model）， 在大量的實(shí)際信道測(cè)量工作的基礎(chǔ)上而建立的基于幾何的信道模型，如SCM(E)^[3][4], WINNER ^[5]，及IMT-Advanced ^[6]，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和理論的驗(yàn)證，得到了廣泛的認(rèn)可和使用。

圖1、信道模型的分類

GSCM 類信道模型的重要特點(diǎn)是可以將天線與傳播環(huán)境分離^[8]，與此相反基于相關(guān)性矩陣的信道模型則無(wú)法將信道與天線特性分離，所以原則上無(wú)法用于重建測(cè)試終端性能的信道模型——但TGn 模型^[7]雖然基于相關(guān)性矩陣，其中含有幾何信息的描述，這使得在MIMO OTA 中復(fù)現(xiàn)TGn 變?yōu)榭赡堋Q句話說(shuō)，在MIMO OTA 多探頭方法當(dāng)中，信道的重建是基于各來(lái)波特性進(jìn)行合成，這些來(lái)波可以具有各自的時(shí)延、多普勒頻移，到達(dá)角（AoA）、離開角（AoD）等，合成后將在終端天線單元陣列上體現(xiàn)出信道的空域相關(guān)性，及與信道幾何特性相關(guān)的多普勒譜——芯片對(duì)這些信道特性的辨析與優(yōu)化，最終將影響到終端性能。[3][4][5][6] 均屬于此類信道模型。

1.2、SCM 與SCME 模型

提到現(xiàn)代MIMO 信道建模，尤其是GSCM 信道模型，我們不得不提到3GPP SCM（Spatial Channel Model）模型^[3]及歐洲WINNER（Wireless World INitiative NEw Radio）項(xiàng)目^[5]。在2003 年3GPP TR25.996 描述的SCM 模型當(dāng)中，傳統(tǒng)的TDL（Tap Delay Line）模型被進(jìn)一步解析為以簇來(lái)描述的CDL（Cluster Delay Line）模型。SCM 中定義了6 束來(lái)波，每一束被稱為一個(gè)簇（Cluster），每一簇來(lái)波由20 個(gè)子徑（sub-path）構(gòu)成，每個(gè)簇除了定義了各自的AoD 和AoA 以外，還根據(jù)實(shí)際信道測(cè)試的結(jié)論，定義了水平面上的能量分布，如拉普拉斯分布，即角度功率譜（PAS，Power Azimuth Spectral），其方差被定義為角度擴(kuò)展（AS，Angular Spread）；同時(shí)，每一簇模型具有各自的AoA，AoD，時(shí)延，多普勒譜等特性。SCM 比較好地貼近了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并且能夠從時(shí)域、頻域、空間域及極化域反映MIMO 信道的特點(diǎn)，圖2 中對(duì)SCM 模型的參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)介^[3]。

圖2、3GPP TR 25.996 中信道模型及其參數(shù)

在3GPP TR 25.996 中的參數(shù)說(shuō)明:

Ω_BS：基站天線陣列的方向, 以地理北為參考方向，定義為其天線陣列的法線與北向的夾角。
 
θ_BS：基站與移動(dòng)臺(tái)之間的直射徑（LOS，Line Of Sight）出發(fā)角（AoD，Angular of Departure），定義為直射徑到基站天線陣列法線的夾角。
δ_n,AoD：第n(n = 1 …N) 徑出發(fā)角AoD ，定義為與其與LOS AoD 的夾角。
Δ_n,m,AoD：第n 徑的第m(m = 1 …M) 條子徑相對(duì)δ_n,AoD的偏移量。
θ_n,m,AoD：第n 徑的第m 條子徑的絕對(duì)AoD，定義為其與基站天線陣列法線夾角。
Ω_MS：移動(dòng)臺(tái)天線陣列的方向, 以地理北為參考方向，定義為其天線陣列的法線與北向的夾角。
θ_MS：基站與移動(dòng)臺(tái)LOS 與移動(dòng)臺(tái)天線陣列法線方向的夾角。
δ_n,AoA：第n(n = 1 …N) 徑到達(dá)角AoA (Angular ofArrival)，定義為與其與LOS AoA 的夾角 。
Δ_n,m,AoA：第n 徑的第m(m = 1 …M) 條子徑相對(duì)δ_n,AoA的偏移量。
θ_n,m,AoA：第n 徑的第m 條子徑的絕對(duì)AoA，定義為其與移動(dòng)臺(tái)天線陣列法線夾角。
v ：移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度矢量。
θ_ν ：速度矢量角，定義為移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向與天線陣列法線方向的夾角：θ_ν=arg(v)。

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，帶寬的增大提升了系統(tǒng)對(duì)信道時(shí)延的解析度，從而引起頻域相關(guān)性的變化，原3GPP SCM模型中針對(duì)5MHz 帶寬的CDMA 系統(tǒng)在2GHz 工作頻率建立的信道模型顯得有所不足，也就是說(shuō)，對(duì)于帶寬的提升，需要進(jìn)行一些改進(jìn)使得在信道模型中能夠體現(xiàn)出帶寬變化對(duì)信道相關(guān)性的影響。2005 年，由來(lái)自瑞士、德國(guó)、芬蘭的信道研究者在[9] 中提出了向前兼容SCM 模型的擴(kuò)展模型SCME，比較好地適應(yīng)了新技術(shù)帶來(lái)的對(duì)信道模型的要求。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的帶寬越寬，可以看做其可辨識(shí)的時(shí)延徑數(shù)越多，即信道模型中默認(rèn)同一徑所經(jīng)歷的是平衰落（Flat Fading），因此，對(duì)于SCM 模型定義的5MHz帶寬下的6 徑模型，SCME 模型通過(guò)將每一徑擴(kuò)展為三個(gè)徑（Mid-Path），使得更寬帶寬系統(tǒng)的信道模型能夠體現(xiàn)出頻率選擇性衰落，或者說(shuō)，增大了每根徑的時(shí)延擴(kuò)展。SCM、SCME 及WINNER 信道模型之間的比較，可以參考文獻(xiàn)[10]。

參考圖2 的參數(shù)定義，SCM 模型信道沖擊響應(yīng)（CIR，Channel Impulse Response）在數(shù)學(xué)上可以如下推導(dǎo)，類似MIT老教授R.G. Gallager 在參考文獻(xiàn)[11] 及David Tse 在參考文獻(xiàn)[12] 中的闡述，一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)線性時(shí)變系統(tǒng)MIMO 信道的傳輸矩陣（沖擊響應(yīng)）可以描述為l 條徑的沖擊響應(yīng)之和，即：

（1）

它是由收發(fā)天線陣列的響應(yīng)矩陣Frx(RX)，F(xiàn)tx(TX) 及沖擊響應(yīng)矩陣hl 組成：

（2）

考慮到雙極化，第l 徑的信道沖擊響應(yīng)是一個(gè)2 ×2 的極化矩陣：

（3）

當(dāng)我們使用到CDL 模型時(shí)，（3）式中的第l 徑會(huì)以第n 簇中第m 條子徑替代^[8]，進(jìn)一步地，將第n 簇第m 條子徑的發(fā)射天線單元s 到接收天線單元u 之間的信道建模表述為（4）式：

(4)

1963 年Bello 在[20] 中， 針對(duì)廣義平穩(wěn)非相關(guān)環(huán)境（WSSUS）前提下的時(shí)變沖擊響應(yīng)及傳輸函數(shù)、信道相關(guān)性函數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了研究，成為信道測(cè)量與驗(yàn)證的理論基礎(chǔ)。

1.3、MIMO 信道參數(shù)

在本節(jié)中我們基于幾何的隨機(jī)信道模型的概念，介紹用于描述MIMO 信道特點(diǎn)的主要參數(shù)，它們是時(shí)延特性（PDP，Power Delay Profile），多普勒譜，空間相關(guān)性（Spatial Correlation），及信道的交叉極化比（XPR，Cross-Polarization Ratio）。由于這四個(gè)參數(shù)刻畫了MIMO 系統(tǒng)在信道的頻域、時(shí)域、空域及極化域的重要特性，被認(rèn)為代表或涵蓋了MIMO信道的主要特征，因此它們也被CTIA 及3GPP 采納作為MIMO OTA 系統(tǒng)驗(yàn)證的四個(gè)主要參數(shù)^[13][14][15]。

1.3.1、時(shí)延特性（PDP，Power Delay Profile）

對(duì)于一個(gè)線性時(shí)變的信道來(lái)說(shuō)，信道的沖擊響應(yīng)雖然可以由其自相關(guān)函數(shù)來(lái)描述，但出于簡(jiǎn)化的目的，在大量的MIMO 信道測(cè)量過(guò)程中，常以時(shí)延功率譜來(lái)描述信號(hào)不同時(shí)延的能量分布，圖3 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的SCM 城市宏小區(qū)（UMa, Urban Macro）信道模型的PDP譜。

圖3、3GPP SCM UMa 時(shí)延特性

PDP 體現(xiàn)了信號(hào)經(jīng)過(guò)不同傳播路徑后到達(dá)接收機(jī)端時(shí)，接收機(jī)能辨析出的不同時(shí)延情況，同時(shí)其時(shí)延擴(kuò)展反映了信道的頻率選擇性衰落帶寬，或者說(shuō)決定了信道的相關(guān)性帶寬。

1.3.2、多普勒譜

多普勒頻移反映了因接收機(jī)相對(duì)于來(lái)波的移動(dòng)方向與速度對(duì)所接收信號(hào)在時(shí)域衰落過(guò)程中受到的影響。1968 年R.H.Clarke 在參考文獻(xiàn)[16] 對(duì)此有詳細(xì)的闡述。所謂經(jīng)典多普勒譜，即指Clarke 模型的“U”型譜。而在MIMO 信道模型中，由于每一徑是由多根子徑（Sub-Path）構(gòu)成，每根子徑都會(huì)對(duì)接收機(jī)信號(hào)的多普勒譜有所貢獻(xiàn)，最終信道的多普勒譜將與各徑到達(dá)角及其角度擴(kuò)展有關(guān)。

信道模型中的多普勒譜實(shí)際上還反映了信道衰落的快慢，即快衰落或慢衰落，描述了信道的在時(shí)域的演進(jìn)特性，同時(shí)決定了信道的相關(guān)性時(shí)間。

1.3.3 空間相關(guān)性

空間相關(guān)性集中體現(xiàn)了接收端天線單元之間的相關(guān)性，這種空域相關(guān)性在CDL 中描述的更為具體。在大多數(shù)基于簇的CDL 信道模型當(dāng)中，每根徑實(shí)際上已被簇替代，每一簇都具有獨(dú)立統(tǒng)一的到達(dá)角(AoA)，而每一簇中各子徑具有細(xì)微不同的到達(dá)角偏移，如前文所述，子徑在統(tǒng)計(jì)上的不同到達(dá)角的概率分布效應(yīng)由信道模型中的角度功率譜PAS 來(lái)體現(xiàn)，依據(jù)實(shí)際測(cè)試的結(jié)果，PAS 的形狀一般是靠近該簇AoA 時(shí)的能量（或說(shuō)概率）大，遠(yuǎn)離AoA 時(shí)則小，SCM 模型中一種廣為使用的分布模型是拉普拉斯分布，意味著各子徑到達(dá)角在統(tǒng)計(jì)上的能量分布是以AoA 為中心對(duì)稱的雙邊指數(shù)衰落。

參考[17] 基于PAS 與子徑的到達(dá)角，Spirent 的Doug Reed 在參考文獻(xiàn)[18] 中給出了一個(gè)關(guān)于兩個(gè)虛擬接收天線單元之間空間相關(guān)性的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：

（5）

而出于不同的描述目的，參考[19]，Anite 的Pekka 在參考文獻(xiàn)[8] 中也給出了空間相關(guān)性的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

（6）

MIMO 多天線技術(shù)突出地利用空域非相關(guān)性以提高系統(tǒng)性能，因此，要評(píng)估MIMO 終端的性能，空間相關(guān)性的驗(yàn)證對(duì)于信道模型和MIMO OTA 來(lái)說(shuō)都顯得尤為重要。

1.3.4、信道交叉極化比

交叉極化比有很多種定義，比如有發(fā)射天線的XPR，也有接收天線的XPR，但目前在信道模型中使用的XPR 主要指的是純信道的參數(shù)，也即3GPP37.977 中描述的：

其中：

S_VV 是因信道的散射或反射得到的V 極化功率與入射時(shí)V極化功率之間的系數(shù)；
S_VH 是因信道的散射或反射得到的V 極化功率與入射時(shí)H極化功率之間的系數(shù)；
S_HV 是因信道的散射或反射得到的H 極化功率與入射時(shí)V極化功率之間的系數(shù)；
S_HH 是因信道的散射或反射得到的H 極化功率與入射時(shí)H極化功率之間的系數(shù)。

XPR 與信道特性直接相關(guān)，同時(shí)也會(huì)受到信道模型中離開角AoD 的影響而不同，一般來(lái)說(shuō)不會(huì)為1。在不同的信道模型下通常XPR 也不一樣，如SCM UMa 中XPR 為8.31dB，而SCM UMi 中XPR 則為0.83dB，在WINNERII 不同場(chǎng)景的XPR 都不一樣，反映了各種信道環(huán)境的特性。在終端的天線設(shè)計(jì)和基帶算法設(shè)計(jì)當(dāng)中，需要利用XPR 的不同做一些系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

在終端的狹小空間下要設(shè)計(jì)出非相關(guān)性較好的天線單元對(duì)，利用極化比是主要手段之一，從這個(gè)意義上說(shuō)，用于MIMO OTA 的信道模型和測(cè)試方法應(yīng)能控制信道的XPR，否則對(duì)于評(píng)估終端的性能將缺失重要的考量依據(jù)。Tommi 在參考文獻(xiàn)[21] 中闡述了作為多探頭MIMO OTA 測(cè)試方案，如何在測(cè)試區(qū)域中產(chǎn)生信道模型中需要的XPR。