面向汽車的MIMO OTA測試技術(shù)

李雷，魏貴明，姜國凱，馮家煦，吳翔

專題：移動通信（5G）測試

面向汽車的MIMO OTA測試技術(shù)

李雷1，魏貴明1，姜國凱2，馮家煦2，吳翔1

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

汽車智能網(wǎng)聯(lián)是當(dāng)前交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。通過汽車與周圍車輛、行人、交通設(shè)施、蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，提升交通網(wǎng)決策管理智能化水平，改善道路安全與效率。如何定量精確地評估整車通信性能是業(yè)界關(guān)注的熱點問題，然而目前尚缺少成熟的解決方案，特別是面向整車產(chǎn)品。主要研究了基于多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的汽車空口測量系統(tǒng)的搭建方法，并針對整車空口測試提出了一種低成本解決方案，可以在信道模擬器數(shù)字通路受限的情況下，通過數(shù)字變換，成倍拓展測試區(qū)域。數(shù)字仿真結(jié)果表明，基于此方案所構(gòu)造的測試區(qū)域，其空間相關(guān)性、時間相關(guān)性均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

汽車空口測試；多探頭吸波暗室；空間相關(guān)性；時間相關(guān)性

1 引言

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）通過在收發(fā)兩端配置多路天線，基于合適的空時編碼技術(shù)，可以在相同的時頻資源上傳輸多流數(shù)據(jù)，從而成倍地提升系統(tǒng)的頻譜效率，是長期演進(jìn)（long term evolution，LTE）和新空口（new radio，NR）接入網(wǎng)絡(luò)的核心物理層技術(shù)之一。MIMO系統(tǒng)實際性能表現(xiàn)主要與3方面有關(guān)：無線傳輸環(huán)境、收發(fā)信機基帶算法和多天線設(shè)計。移動通信的復(fù)雜空口給硬件和算法設(shè)計帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確評估MIMO系統(tǒng)的實際性能表現(xiàn)，便于產(chǎn)品快速優(yōu)化，無線通信工程師希望在實驗室中復(fù)現(xiàn)外場的無線傳輸環(huán)境，然后定量地考查基帶和天線的整體性能。這首先涉及無線環(huán)境的數(shù)學(xué)建模，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，無線信號從發(fā)送端到接收端經(jīng)歷的衰落可分為兩類：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落包括路徑損耗和陰影衰落，主要影響接收信號的功率大小；小尺度衰落包含多徑和多普勒，導(dǎo)致時間和頻率選擇性衰落，影響基帶解調(diào)性能。多徑是無線信號在空間、時間、極化等維度上的延展，可以用多徑時延譜、空間角度功率譜、多普勒頻偏功率譜、極化泄露比等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。一種典型的建模方法是基于隨機幾何的空時信道模型，如WINNER模型。實際信號傳輸中，可能在散射體之間發(fā)生多次反射，為了增強數(shù)學(xué)模型可塑性，空時信道模型忽略中間反射過程，只對首尾散射體進(jìn)行建模。一種在實驗室中復(fù)現(xiàn)這種信道模型的方法如圖1所示，將多個天線探頭放置在被測設(shè)備周圍，模擬真實環(huán)境下來自不同方位的多徑信號，并且通過空口（over-the-air，OTA）建模方法，保證實驗室與外場的無線環(huán)境的一致性。這種測試方法被稱為基于多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的MIMO OTA測試方法。

目前業(yè)界主要有3種MIMO OTA測試方案[1]，分別是MPAC、混響室以及基于傳導(dǎo)或空口的二階段法，其中，MPAC方案理論上可以精確模擬任意的空時信道模型，目前在業(yè)界認(rèn)可度最高，因此，本文僅討論MPAC方案。CTIA（Cellular Telecommunications and Internet Association，美國無線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會）和3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]給出了MPAC方案系統(tǒng)搭建方法和模型驗證方法。參考文獻(xiàn)[1]規(guī)定了一種LTE 下行雙流MIMO OTA性能測試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驗證方法，參考文獻(xiàn)[3]引用了CTIA標(biāo)準(zhǔn)并規(guī)定了其他多種MIMO OTA的測試方法。

圖1 在實驗室中復(fù)現(xiàn)這種信道模式的方法

通信行業(yè)中典型的MPAC MIMO OTA系統(tǒng)框架如圖2所示。在測試區(qū)域周圍布置若干個離散的天線探頭，每個天線探頭發(fā)出的信號模擬了來自遠(yuǎn)場的一條信號分量，通過合理控制每個天線探頭的功率與相位，這些離散信號可以近似模擬一種特定的空間角度功率譜，從而模擬了真實環(huán)境下來自四面八方的到達(dá)信號空間分布特征。暗室外面的信號模擬器基于數(shù)字仿真，復(fù)現(xiàn)了信號傳輸過程中的多徑時延、多普勒、交叉極化比等衰落特征；功率放大器用于放大下行信號，彌補空口傳輸帶來的路徑損耗；基站模擬器用于建立通信鏈路，執(zhí)行下行灌包和統(tǒng)計吞吐量等。被測終端吞吐量速率主要與收發(fā)信機之間信道的空間相關(guān)性有關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，空間相關(guān)性與角度功率譜是傅里葉變換的關(guān)系，因此在圖2所示的測試區(qū)域內(nèi)，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信道的角度功率譜是MIMO OTA信道驗證工作的核心內(nèi)容之一。另外，在實際測試過程中，被測終端的尺寸必須小于所構(gòu)造測試區(qū)域。

2 汽車MIMO OTA測試的挑戰(zhàn)與解決方案

2.1 面向整車測試方案的挑戰(zhàn)

圖2 一種典型的MPAC MIMO OTA系統(tǒng)框架

表1 典型商用5G/LTE智能手機三維尺寸

表2 典型轎車、越野車汽車三維尺寸

如果考慮整車作為一個被測設(shè)備，測試區(qū)域的直徑至少需要5 m（小型轎車），在5.9 GHz車聯(lián)網(wǎng)頻段上，根據(jù)式（1）計算得到的離散探頭數(shù)為621個，基于現(xiàn)有MIMO OTA技術(shù)，每個天線均需要與一個信道模擬器（channel emulator，CE）輸出端口連接，因此需要621個CE端口，大約對應(yīng)于10臺是德科技F64或者78臺思博倫VERTEX，并且無論是系統(tǒng)搭建、環(huán)境校準(zhǔn)，其復(fù)雜度都是無法承擔(dān)的。此外，一臺信道模擬器的成本一般在數(shù)百萬到千萬級別，如果按照上述思路開發(fā)面向整車的MIMO OTA系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)成本將十分高昂。因此本文考慮引入低成本的數(shù)字變換器，基于算法設(shè)計與優(yōu)化，在成本可控的條件下，實現(xiàn)測試區(qū)域的拓展。

2.2 整車MIMO OTA測試新架構(gòu)

本文提出了一種新型的MIMO OTA系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)（如圖3所示），與典型系統(tǒng)架構(gòu)（如圖2所示）不同，在暗室天線探頭和CE中間引入數(shù)字變換網(wǎng)絡(luò)，將CE的每路輸出通過修改功率和添加時變隨機相位，可以數(shù)倍或者十幾倍地拓展數(shù)字通道，從而降低對CE通道資源的要求。在第3節(jié)的仿真驗證中可以看到，本文提出的架構(gòu)可以在已有8探頭暗室條件下，將拓展區(qū)域由0.7倍波長拓展至10倍波長。

2.3 數(shù)字變換網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)原理

圖3 面向整車的新型MIMO OTA系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

3 數(shù)字仿真驗證

3.1 數(shù)字仿真參數(shù)說明

本文采用參考文獻(xiàn)[3]的表2.4.3-1中定義的空間信道模型拓展（spatial channel model extension，SCME）城市宏小區(qū)場景的信道參數(shù)，進(jìn)行空間相關(guān)性（計算方法見參考文獻(xiàn)[7]）和時間相關(guān)性（計算方法見參考文獻(xiàn)[3]）的數(shù)字仿真。主要對比了不同方案在同樣CE通道資源的條件下，可以支持的最大測試區(qū)域。空見相關(guān)性驗證中，測試區(qū)域采點方式如圖4所示。時間相關(guān)性驗證的時間范圍與參考文獻(xiàn)[3]的圖A.2.2.1-1相同。本文仿真暫不考慮極化建模，即假設(shè)發(fā)射和接收機均為垂直極化。

圖4 空間相關(guān)性驗證區(qū)域采點方式

對比方案整理如下：

（1）典型方法，CE 8探頭方案（參考）；

（2）典型方法，CE 32探頭方案（參考）；

（3）數(shù)字變換，CE 8探頭優(yōu)化方案（本文方案）；

（4）數(shù)字變換，CE 2探頭優(yōu)化方案（本文方案）。

主要對比不同方案的空間相關(guān)性和時間相關(guān)性與理論模型的近似程度。

3.2 空間相關(guān)性驗證

首先對比本文提出的基于數(shù)字變換的CE 2探頭優(yōu)化方案與典型CE 8探頭方案，在1倍波長范圍內(nèi)測試區(qū)域中的空間相關(guān)性情況。在圖5中，首先給出了CTIA的4條標(biāo)準(zhǔn)空間相關(guān)性曲線，分別是理想曲線、8探頭方案曲線、下界、上界。符合CTIA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的MIMO OTA實驗室，要求在1倍波長測試區(qū)域內(nèi)的空間相關(guān)性曲線不得超出上界和下界。基于數(shù)字變換CE 2探頭曲線和典型方案CE 8探頭曲線，是基于數(shù)字仿真，并利用信道沖擊響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)式（3）計算得出。理論值曲線則是根據(jù)探頭的功率分布，按照瑞利衰落條件下的空見相關(guān)性計算式推演得出（詳見參考文獻(xiàn)[7]）。從圖5中可以看到，無論是本文提出的數(shù)字變換CE 2探頭方案，還是典型的CE 8探頭方案，均可以在1倍波長測試區(qū)域范圍內(nèi)逼近CTIA理想探頭布局曲線。

圖5 數(shù)字變換CE 2探頭與典型CE 8探頭空間相關(guān)性性能對比

繼續(xù)對比本文提出的基于數(shù)字變換的CE 8探頭優(yōu)化方案與典型CE 32探頭方案，在圖4所示的10倍波長范圍內(nèi)的測試區(qū)域中的空間相關(guān)性變化。在圖6中可以看到，基于數(shù)字變換CE 8探頭曲線和典型方案CE 32探頭曲線，均可以在10倍波長測試區(qū)域范圍內(nèi)逼近CTIA理想探頭布局曲線。兩條曲線與理論值的偏差不超過0.1。

圖6 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭空間相關(guān)性性能對比

3.3 時間相關(guān)性驗證

按照3GPP或者CTIA規(guī)定的時間相關(guān)性驗證方法，仿真驗證本文提出的基于數(shù)字變換的CE 2探頭優(yōu)化方案與典型CE 8探頭方案，以及基于數(shù)字變換的CE 8探頭優(yōu)化方案與典型CE 32探頭方案在測試區(qū)域中心的時間相關(guān)性變化曲線。圖7和圖8中，分別給出了CTIA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時間相關(guān)性理論曲線、上界曲線、下界曲線，其中，軸代表以中心與反點波長為單位的時間刻度，按照參考文獻(xiàn)[3]第A2.2.1節(jié)的要求，對時間乘以速度除以波長。基于數(shù)字變換CE 2探頭、8探頭時間相關(guān)性曲線，以及基于典型方案的8探頭、32探頭時間相關(guān)性曲線是按照式（4），利用時域信道沖擊影響函數(shù)計算得出的。圖7和圖8中的理論曲線根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]和參考文獻(xiàn)[10]中定義的SCME子徑空間分布、子徑功率、用戶運動速度等計算多普勒功率譜，然后進(jìn)行傅里葉變換得出。基于圖7和圖8可以看出，本文提出的數(shù)字變換CE 2通道，數(shù)字變換8通道MIMO OTA系統(tǒng)重構(gòu)方法，與典型方案CE 8通道和典型方案CE 32通道的相應(yīng)時間相關(guān)性曲線在5倍波長時間范圍內(nèi)基本保持一致，同時與理論曲線變化趨勢一致，偏差較小，并且處于CTIA規(guī)定上界和下界的范圍內(nèi)。

圖7 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時間相關(guān)性性能對比

圖8 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時間相關(guān)性性能對比

4 結(jié)束語

MIMO OTA測試技術(shù)首先發(fā)展于通信產(chǎn)業(yè)，支持小型智能終端空口性能的定量考查。隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，汽車開始更多地與網(wǎng)絡(luò)及周圍交通參與者進(jìn)行通信，準(zhǔn)確驗證汽車空口實際性能表現(xiàn)將會成為汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點內(nèi)容，特別是涉及道路安全的通信場景。本文展示了一種面向汽車的新型MIMO OTA測試系統(tǒng)搭建方法，從時間相關(guān)性和空間相關(guān)性兩個維度驗證所提方案的可行性。根據(jù)數(shù)字仿真結(jié)果，使用少量的信道模擬器通道，基于適當(dāng)?shù)臄?shù)字變換，可以實現(xiàn)測試區(qū)域的明顯拓展，從而極大地降低汽車整車MIMO OTA系統(tǒng)搭建成本。后續(xù)將在兩個方面繼續(xù)開展相應(yīng)的研究工作。一是信道模型，汽車與汽車、汽車與路邊單元、汽車與行人通信的無線信道特征與蜂窩基站和手機之間有明顯區(qū)別，下一步將開展車聯(lián)網(wǎng)信道模型研究，探討不同場景、不同信道模型下的整車性能評估方法。二是測試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法和不確定度分析，由于引入了新的設(shè)備，如何準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行鏈路功率和相位校準(zhǔn)是面臨的一個重要問題，特別是數(shù)字變換器對系統(tǒng)穩(wěn)定性（例如功率相位隨溫度、時間的偏移等）和不確定度的影響。

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MIMO OTA performance testing of vehicles

LI Lei1, WEI Guiming1, JIANG Guokai2, FENG Jiaxu2, WU Xiang1

1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China 2. China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300, China

Intelligent traffic system is one of promising technologies for traffic industry. Based on communication among cars, pedestrian, traffic infrastructure and cellular networks, it’s able to significantly promote on road safety and efficiency by making proper traffic instructions. How to precisely evaluate the communication performance of a whole vehicle become a hot-topic in the field. Unfortunately, there is still no solution about the setup and procedures for the OTA testing. A low-cost solution was proposed by reconstructing channel models and optimizing the existing testing system framework that referred to as multi-probe anechoic chamber. The proposed method was able to multiple the test area with limited channel emulator RF channels by introducing a low-cost digital converter. Numerical simulations indicate that the proposed method has the ability to reproduce spatial and temporal correlation features of the target channel model, which is coherent with related standards’ requirements.

OTA testing for vehicles, multi-probe anechoic chamber, spatial correlation, temporal correlation

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021040

2020?07?29；

2021?02?18

魏貴明，weiguiming@caict.ac.cn

李雷（1990? ），男，中國信息通信研究院工程師，主要研究方向為無線通信原理與系統(tǒng)、無線信道建模與分析、MIMO OTA性能測試技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)性能測試方法等。

魏貴明（1970? ），男，中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心常務(wù)副主任，主要研究方向為移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等。

姜國凱（1990? ），男，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司高級工程師，主要研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車電磁兼容和通信質(zhì)量測評。

馮家煦（1994? ），男，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司工程師，主要研究方向為智能網(wǎng)聯(lián)汽車通信質(zhì)量測試評價。

吳翔（1979? ），男，中國信息通信研究院高級工程師，主要研究方向為無線通信、射頻、電磁兼容等。