5G終端MIMO OTA測試方法研究現狀與展望

馬楠,，余菲，楊曉麗，許曉東，張治

專題：移動通信（5G）測試

5G終端MIMO OTA測試方法研究現狀與展望

馬楠1,2,3，余菲1，楊曉麗1，許曉東4，張治1

（1. 北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室，北京 100876； 2. 中國電子科技集團公司數據鏈技術重點實驗室，陜西 西安 710068； 3. 無線通信測試技術北京市重點實驗室，北京 100102； 4. 北京郵電大學移動互聯網安全技術國家工程實驗室，北京 100876）

MIMO（multi-input multi-output）OTA（over-the-air）測試是評估天線系統輻射性能的重要方法，也是設備在研發、生產階段必經的步驟之一。隨著5G移動通信系統的到來，毫米波等新特性的引入，為傳統MIMO OTA測試方法帶來了新的挑戰，也使得OTA測試成為5G毫米波終端唯一可行的測試解決方案。首先論述了5G OTA測試所面臨的挑戰，分析了4G移動通信系統OTA測試方法在5G OTA性能測試中的適用性，并探究了如何將低頻測試方法擴展到毫米波終端測試。然后總結了3GPP對于MIMO OTA測試的研究現狀，詳細闡述了簡單扇形排列的多探頭吸波暗室（simple-sectored multi-probe anechoic chamber，SS-MPAC）的系統模型、測試原理以及性能評價指標等，并驗證了SS-MPAC配置中利用更少的探頭仍可以獲得合理的測試精度。最后對未來的研究趨勢進行了展望。

5G；多天線終端；SS-MPAC；空口測試

1 引言

為了滿足網絡社會的需求，5G移動通信系統在網絡容量、數據速率和時延等方面將帶來革命性的改進，顯著提高網絡的靈活性和效率。毫米波（mmWave）和大規模 MIMO（multi-input multi-output）等5G的關鍵技術[1]，在顯著提高通信系統的數據吞吐量和頻帶利用率的同時，其應用也帶來了諸多挑戰。首先，相對于6 GHz以下頻段，毫米波信號的路徑損耗與衰減更大。一方面是由于理論上自由空間的電波傳播損耗與工作頻率的平方成正比；另一方面，氧氣、水蒸氣對毫米波信號的吸收衰減更大。此外，毫米波信號繞射，穿透能力差，反射效應強，毫米波信道的角度擴展更小，功率空間分布更集中，信號傳輸過程中障礙物對其的阻礙效應也更為明顯。為了克服毫米波信號傳輸過程中面臨的上述挑戰，5G毫米波終端將天線陣列與波束成形（beamforming）技術[2]相結合，通過引入天線陣列增益增加設備的等效全向輻射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）以克服毫米波頻段的高路損，并通過自適應波束成形算法實時優化陣列中每個天線單元饋入信號的幅度和相位權值，控制波束指向期望的輻射方向，從而實現波束的掃描及覆蓋。其次，5G系統充分利用無線電信號的傳播空間特性，傳播模型從二維（2D）水平面拓展到三維（3D）。因此，4G移動通信系統采用的2D信道模型不再能夠很好地描述信號的傳播特性，采用3D信道模型可以為5G多種應用場景提供支撐，但也使測試的信道復現過程變得更加復雜。

5G時代的測試原理及測試技術也面臨革命性的變革[3]。5G毫米波終端將采用封裝天線（antenna-in-package，AiP）解決方案，這種多通道射頻模塊與天線陣列深度融合的系統架構意味著天線與射頻鏈路之間沒有可連接儀器的測試端口，天線輻射特性指標與射頻指標無法分別獨立測試[4]。因此，空口（over-the-air，OTA）測試將取代傳統的傳導測試，成為5G終端唯一可行的測試解決方案[5]。基于信道模擬器的MIMO OTA測試可以在實驗室內通過模擬目標信道功率譜、極化、時域和頻域等方面的特性，使被測設備（device under test，DUT）仿佛置身于真實的信道環境中。在不需要對DUT進行任何破壞和有線連接的情況下，提供了一個可控、可調試和可重復的測試環境。采用MIMO技術的移動終端需要通過測試評測用戶通過移動終端訪問數據業務時的性能，而MIMO OTA測試可以針對移動終端設計中的所有關鍵部分，包括天線、射頻前端、基帶處理單元等，進行全面測試。因此，探究適用于5G終端的MIMO OTA測試方法至關重要。

2 MIMO OTA測試研究現狀

2.1 4G MIMO OTA測試方法對于5G終端測試的適用性

此前針對4G終端的OTA測試提出的3種OTA測試方法[6]分別為：混響室（reverberation chamber，RC）法[7]、輻射兩階段（radiated two-stage，RTS）法[8]和多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）法[9]。

混響室是一個配備模式攪拌器（stirrer）和轉臺的封閉金屬腔，其原理是通過運行模式攪拌器對電磁波進行擾動，從而在工作區域（working volume）內產生大量具有隨機相位的信號，模擬出瑞利衰落環境，從而對DUT進行測試。采用RC法可以有效地分析與角度擴展無關的天線輻射參數，廣泛應用于電磁兼容性測試、SISO（single-input single-output）OTA天線輻射性能測試及吞吐量性能測試，其缺點是無法準確模擬空間角度。由于在毫米波頻段上的信道具有高度稀疏的特點，因此該方法不適合對5G 終端進行測試。

RTS方法是第三代合作伙伴計劃（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）、美國無線通信和互聯網協會（Cellular Telecommunication and Internet Association，CTIA）、中國通信標準化協會（China Communications Standards Association，CCSA）等國際國內標準化組織批準的MIMO OTA測試方法[10]。該方法的基本原理是將OTA測試分為兩個步驟[11]：第一步獲取DUT的天線方向圖，第二步根據測量得到的天線方向圖求解校準矩陣的逆矩陣，然后應用測量到的方向圖和逆矩陣進行吞吐量測量。參考文獻[12]分析了將RTS方法擴展到5G設備的可行性，證明了其對于毫米波終端測試的局限性，該方法的缺點主要有兩方面：首先，它只適用于靜態毫米波天線的測試，在動態信道條件下DUT的天線方向圖很可能會發生改變，因此它不適用于動態信道條件下的測試；其次，該方法所需的OTA探頭天線的數量等于DUT上的接收天線數量，導致系統成本隨著天線數量的增加而顯著增長。

圖1　不同頻率下構造一定大小的測試區域所需的探頭數

由圖1可以看出，為了模擬高頻信道環境以及創建出更大的測試區域，測試系統可能需要大量的探頭才能滿足需求。此外，由于5G應用場景更加復雜，信道模型由二維擴展為三維，在毫米波頻段下，無法用傳統的二維MPAC方法模擬出三維信道環境。因此，直接將MPAC方法擴展到毫米波頻段的測試并不可行。

綜上所述，現有4G MIMO OTA測試方法并不適用于毫米波頻段的測試，找到適合毫米波終端的OTA測試方法是目前亟待解決的問題。

2.2 3GPP MIMO OTA測試研究現狀

目前3GPP已經逐步對5G OTA測試進行了標準化：參考文獻[14]對0.5～100 GHz頻率的信道模型進行了研究，其中規定了毫米波終端測試適用的信道模型，參考文獻[15]規定了5G新無線電（new radio，NR）的用戶端射頻（radio frequency，RF）、無線資源管理器（radio resource management，RRM）和解調等的OTA測試方法，為了進一步測試多天線用戶設備的接收性能，參考文獻[16]定義了5G運行的兩個頻段：（1）450～7.125 GHz為頻率范圍1 （frequency range 1，FR1）；（2）24.25 ～52.6 GHz為頻率范圍2（frequency range 2，FR2），并驗證了FR1和FR2頻段下進行MIMO OTA測試的輻射指標和端到端測試方法。其中，MPAC和RTS方法已在標準中被認定為5G FR1的測試方法。此外，簡單扇形排列的多探頭吸波暗室（simple-sectored multi-probe anechoic chamber，SS-MPAC）法也被確定為毫米波5G終端的測試方案。

2.2.1 FR1測試方法

對于低頻 MPAC OTA系統，允許采用16個等間距雙極化探頭配置進行測試，適用于最多采用4×4 MIMO且大小在20 cm內的設備，對于大小超過20 cm的設備，其測試方案仍待進一步研究。研究結果表明測試距離可以不滿足遠場要求，在測試區大小為20 cm時測試距離只需大于1.2 m即可。

FR1頻段下的MIMO OTA測試模擬的信道傳播環境為二維無仰角模型，與參考文獻[15]中確定的基準信道模型相比，參考文獻[16]更新了不同場景下的信道參數：采用城市宏小區信道模型進行2×2 MIMO終端的測試，采用城市微小區測試4×4 MIMO終端。

2.2.2 FR2測試方法

根據參考文獻[16]，進行毫米波 MIMO OTA測試的SS-MPAC系統配置如圖2所示，在距離測試區域中心最小半徑為0.75 m的扇區上放置6個雙極化探頭（由圖2中的黑色圓點表示）組成的SS-MPAC系統可用于5G毫米波終端測試，每個探頭的位置在信道模型坐標系下的坐標見表1。SS-MPAC系統目前支持的最大測試區域大小為20 cm。

對于MIMO OTA測試來說，實際SS-MPAC系統的校準和SS-MPAC配置中仿真信道模型的驗證是必要的過程。信道驗證測試的目的是確保目標信道模型在測試區域內能夠正確實現。FR1信道模型驗證測試主要包括功率時延分布（PDP）、多普勒/時間自相關函數、空間相關性、交叉極化、功率驗證；FR2信道模型驗證與FR1的不同之處在于去掉了空間相關驗證，新增了PAS總變距指標。

圖2 進行毫米波 MIMO OTA測試的SS-MPAC系統配置

表1 SS-MPAC中的探頭位置

3 針對5G毫米波終端的MIMO OTA測試方法

在毫米波頻段下，終端測試的挑戰之一在于如何用更少的OTA探頭和信道模擬器實現一個足夠大的測試區域。由于毫米波頻段下信道高度稀疏且具有很強的反射性，并且信道被通信鏈路另一端的波束成形操作過濾后會使終端所處的毫米波信道更具有指向性，因此用有限數量的探頭構成的SS-MPAC配置，可以在降低系統成本的同時再現目標三維信道模型；同時，由于可以自由選擇有源探頭，因此保留了再現真實、動態信道模型的能力。本節將進一步分析SS-MPAC的系統模型、目標信道與SS-MPAC配置的信號模型、SS-MPAC信道重構方法以及相應的系統性能評價因子。

3.1 SS-MPAC系統模型

圖3　SS-MPAC系統模型示意圖

3.2 目標信道與SS-MPAC配置的信號模型

3.3 SS-MPAC信道重構方法

參考文獻[18]中介紹了兩種不同的信道重構方法，分別為平面波合成（plane ware synthesis，PWS）和預衰落合成（prefaded signal synthesis PFS）技術，參考文獻[19]針對這兩種方法對SS-MPAC的適用性進行了比較，證明了PFS比PWS更準確，并且PWS屬于相干合成技術，需要對系統內多個探頭的輻射功率和相位進行精確校準，因而目前SS-MPAC基本采用PFS方法。

預衰落合成技術基于多徑信道模型中“簇”的概念，針對每簇信道響應的統計特征，控制暗室內測試探頭使得其輻射信號的統計特性與經歷目標信道環境衰落后的信號統計特征一致，如平均功率時延、多普勒頻譜、垂直水平極化比等。每簇信道都具有一定的來波角度分布，通常使用中心來波角、角度擴展等參數描述其平均功率隨入射角度的分布，也稱功率角度譜（power azimuth spectrum，PAS），因此為了這種角度散布效果，系統需要使用多個不同方位角度的探頭，其中各個探頭福射信號統計獨立，且分布特性均與目標簇信道的統計特征相同，同時通過優化控制多個探頭的發射功率權值模擬目標簇信道功率隨方位角度散布的特征。在某種程度上，可理解為系統使用離散的、有限個探頭對目標信道連續的功率角度譜進行了“采樣”和“再現”。由于信道的角度功率譜與衡量測試精確度的評價指標密切相關，因此預衰落合成技術最關鍵的環節就在于優化探頭的發射權值精確模擬預期信道模型的來波角和角度擴展等功率角度譜特性[20-21]。

3.4 系統性能評價因子

任何測試系統或測試方法都需要特定的評價指標評估測試的準確度，目前對于5G 毫米波終端測試的評價因子主要有以下5種[22]。

（1）空間相關誤差（spatial correlation error）

該評價因子通過計算OTA配置中特定測試區域內的空間相關性誤差，間接地評估再現的PAS與目標PAS之間的偏差。該指標對于低頻段 MIMO OTA測試至關重要。由于毫米波頻段將更關注波束選擇過程，因此空間相關指標對于毫米波測試顯得沒有那么重要。但需要指出，當相關系數接近于1時，即使計算出的偏差很小也會對空間復用性能等指標產生很大的影響；而在相關系數本身的值就很小的情況下，即使產生很大的誤差也不會對系統性能造成很大的影響。因此通過加權可以對不同大小的相關值區別化處理，使計算出的誤差更加精準。

（2）波束峰值距離（beam peak distance）

波束峰值距離是指波束的概率加權平均方向之間的角距離，該角距離以度為單位，計算式可表示為：

（3）波束分布總變化距離（total variation distance ofbeam allocation distributions）

波束分布總變化距離與波束峰值距離一樣，都屬于波束選擇性指標，計算二維波束分布總變化距離的計算式為：

（4）固定波束功率損耗（fixed beam power loss）

（5）PAS總變化距離（total variation distance of PAS）

該評價因子用于評估OTA配置重建目標PAS的能力，目前在3GPP中已被廣泛討論[16]，是一項重要的信道仿真精確度評價指標。功率角度譜的總變化距離定義如下。首先，利用經典的Bartlett波束形成器和假設的DUT陣列來估計PAS，這相當于利用DUT陣列有限的孔徑對傳輸信道的實際功率角度分布進行濾波。對理論參考模型進行PAS估計可以通過以下計算式計算：

圖4　CDL-B信道模型下的角度功率譜對比

4 MIMO OTA測試前景展望

目前3GPP對于5G MIMO OTA測試系統配置的設計都是基于“黑盒”法，即DUT天線陣列信息未知，假設天線陣列覆蓋整個終端。而實際上DUT內的天線只會放置在終端內某幾個大小有限的位置上，如果將整個被測物都視為天線陣列會忽視天線陣列偏移對測試的影響，并且可能會為測試系統帶來不必要的硬件成本。對此，Spirent在已知DUT內天線陣列信息的假設下比較了擺放在不同位置天線對于測試性能的影響[23]，該提案證明了在同一個信道模型和縮放場景下，不同位置天線陣列中計算出的PAS相似百分比差異很大。隨后，Keysight在參考文獻[24]中討論了DUT偏移對于性能因子的影響，并在參考文獻[25]中比較了“白盒”法與“黑盒”法對測試方法的影響。考慮到“白盒”法為測試性能的提升帶來的潛力，或許可以成為進一步研究的方向。由于目前測試系統僅能測試尺寸在20 cm內的設備，對測試大于20 cm的設備還需要進一步研究。

從研發到一致性測試、生產、安裝和維護，測試系統在5G設備的開發和驗證過程中起著至關重要的作用。為了評估多天線終端的輻射性能需要對設備進行MIMO OTA測試，但在5G NR系統中應用毫米波頻率、可控陣列、有源波束成形等技術會使終端設備的測試面臨新的挑戰。而且，由于毫米波的引入，5G終端的天線將是小型且高度集成的單元，因此OTA測試成為5G終端唯一可行的測試方法。本文針對MIMO OTA測試方法進行了相關研究，首先討論了4G OTA測試方法對于5G終端測試的適用性，雖然其中的MPAC方法和RTS方法適用于5G低頻段終端測試，但如果擴展到毫米波頻段仍存在許多挑戰。隨后通過對相關文獻的綜述，分析了5G毫米波終端在信道環境、系統配置等方面的測試需求，并從系統模型、測試原理、系統性能評價因子方面詳細闡述了目前毫米波終端MIMO OTA測試方法。最后，基于3GPP的標準化進程，總結了MIMO OTA測試的研究現狀，并對未來的研究方向進行了展望。由于目前對于5G OTA測試的大部分研究工作仍在理論分析階段，為了確定未來毫米波終端測試解決方案，仍需要進行實際的測試驗證。

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Research status and prospect of MIMO OTA test methods for 5G terminals

MA Nan1, 2, 3, YU Fei1, YANG Xiaoli1, XU Xiaodong4, ZHANG Zhi1

1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 2. Key Laboratory of Data Link Technology, CETC, Xi’an 710068, China 3. Beijing Key Laboratory of Wireless Communication Testing Technology, Beijing 100102, China 4. National Engineering Laboratory for Mobile Network Technologies, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

MIMO (multi-input multi-output) OTA (over-the-air) testing is an important method to evaluate the radiation performance of the antenna system, as well as an indispensable step of research & development (R&D) and mass production stages. With the advent of the 5G mobile communication system, the introduction of millimeter wave (mmWave) and other new technologies brings new challenges to the traditional MIMO OTA test method, and meanwhile makes OTA testing the only feasible solution for testing future 5G devices. Firstly, the challenges faced by 5G OTA testing was described. Then the applicability of the 4G mobile communication system OTA test method to the 5G OTA performance test was analyzed, and how to extend the low-frequency test method to the mmWave terminal test was studied. Then the current status of 3GPP’s research on MIMO OTA testing was summarized, and the system model, test principle, and performance evaluation indexes of simple-sectored multi-probe anechoic chamber (SS-MPAC) were explained in detail. In addition, smaller setup sizes can still yield reasonable measurement accuracy was verified. Finally, future research trends were prospected.

5G, multi-antenna terminal, SS-MPAC, over-the-air testing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021035

2020?11?16；

2021?02?07

國防基礎科研計劃資助項目（No.JCKY2017210A001）

Defense Industrial Technology Development Program (No.JCKY2017210A001)

馬楠（1979? ），男，博士，北京郵電大學講師，中國電子科技集團公司數據鏈技術重點實驗室流動研究人員，無線通信測試技術北京市重點實驗室主任，主要研究方向為無線通信測試技術、物聯網。

余菲（1996? ），女，北京郵電大學碩士生，主要研究方向為無線通信測試技術。

楊曉麗（1990? ），女，北京郵電大學博士生，主要研究方向為無線通信測試技術。

許曉東（1980? ），男，博士，北京郵電大學教授，主要研究方向為無線組網及通信測試技術。

張治（1977? ），男，博士，北京郵電大學教授，主要研究方向為無線信號智能檢測與高效通信技術。