一、引言

作为高速无线通信的重要技术,MIMO(多输入多输出)已经被LTE、LTE-A及WiFi 802.11ac等标准规范所采纳,且将毫无悬念地继续应用于未来的5G高速无线通信系统当中。近年来配置了多根天线的WiFi路由器在家用市场上出现,则是一般消费者对于MIMO最直观的认识——实际上在各类4G手机内部早已布置有多根(2根接收)天线,也就是说,4G用户其实每天都在使用MIMO技术。


 

虽然目前包括iphone 6等在内大部分市售4G手机,下行使用的都是2x2 MIMO技术,但对于即将到来的LTE-A来说,将可能使用4x4乃至8x8以便实现更为极速的用户体验,这意味着在手机的狭小空间内需要设计出4根乃至8根接收天线——而依靠这8根天线是否能达到理论速率的目标?对于研发来说,就必须依赖于完善的MIMO性能测试技术所得到的准确反馈,从而对原设计方案进行高效地优化。

然而对于MIMO这样一个系统,其无线性能同时取决于收发天线、基带芯片算法与外部信道环境,常规的传导测试早已无法适用,必须模拟目标信道环境,使用空口测试方法OTA(Over The Air)考察整机性能,这种针对多天线设备的无线性能进行测试评估的方法被称做MIMO OTA[1]。图2中显示的就是使用MIMO OTA方法对不同手机无线性能进行排位的情况,当然这张图仅仅显示了某一个频段及特定条件下的测试结果。

 

二、MIMO OTA的三种流派

早在2009年,欧洲COST 2100(http://www.cost2100.org/)就对MIMO OTA进行了学术方面的讨论和探索,并开始向3GPP进行输出,到2015年,陆续有以下三类解决方案渐趋稳定:

1. 多探头方案(MPAC:Multi-Probe Anechoic Chamber):MPAC是目前被学术界和工业界最广为接受的一种方案,能够可控地复现信道在时域、频域、空间域的特性,已被多个标准组织的认可;由于其原理的完善性,该方案的演进还可能应用于未来的WiFi AP、基站、车联网以及Massive MIMO等测试场景。

 

2. 混响室方案(RC:Reverberation Chamber):作为一种经济型方案,混响室用于MIMO OTA测试从一开始就受到了企业天线设计、测试部门的欢迎;但RC方案最不可逾越的,是其在重建信道空间域特性时的局限性,而空间域正是MIMO最重要的技术突破所在——而缺乏对空间域(如离开角、到达角、角度扩展等)特性的控制,使得该方案将难以承载未来MIMO研发测试的需求,这对前期已购买RC方案的厂商来说,是一个很大的投资风险。

3. 辐射两步法(RTS:Radiated Two Stage):从2009年由Agilent公司提出的传导两步法演进至今,其理论基础与MPAC一致,只是在实现方法上需要得到手机芯片的支持:根据芯片上报的信息,计算得到终端的矢量方向图,再代入第二步进行吞吐量测试;仅就目前2x2 下行测试来说,该方案在理论层面是成立的,但其最大瓶颈是工程实施与工业推广,另外,RTS的测试准确度或精度将受限于被测终端的上报数据。

此外,以前还出现过的一些提案,如松下提案、索尼爱立信提案等等,随着时间的推移,因各种原因已渐渐不再提及,在此不作详述。

三、国际/国内MIMO OTA标准化最新进展

1. 国内:CCSA

在MIMO OTA标准化的进展方面,国内基本与国际同步甚至领先,由中国通信标准化协会(www.CCSA.org.cn)牵头制定的行业标准YD/T 2869.1 -2015 《终端MIMO 天线性能要求和测试方法第一部分:LTE无线终端》已率先于2015年7月颁布实施,这一版的行标正文中规定采用MAPC作为唯一的测试方案,而RTS仅在作为辅助信息在附录中出现,RC方案则完全没有进入该标准[2]

2. 北美:CTIA

CTIA作为北美运营商的一个技术联盟,其主旨更多地是为运营商服务,而运营商对MIMO OTA的主要需求,是区分不同4G手机终端的性能优劣。

CTIA作为一个偏工业化的组织,相比于3GPP RAN4,其运行更为高效,但即便如此,直到2015年8月才出台MIMO OTA的第一个正式版本《Test Plan for 2x2 Downlink MIMO and Transmit Diversity Over-the-Air Performance》[3]。在这一版本的标准中,MPAC被唯一地指定为可同时担负手机的TM3(空分)模式和TM2(分集)模式测试的方案。在未来版本中有计划将RC方案引入,但RC限定只能承担TM2,而不得进行TM3模式的测试。

 

3. 欧洲:COST IC1004

COST是European COoperation in Science and Technology的缩写,意为欧洲科学与技术研究合作,是由欧洲各政府之间协作成立的研究合作方面最悠久也是最大的跨政府网络,COST IC1004 action (www.ic1004.org)始于2011年,是2010年结束的COST 2100 action的延续,其前身分别为COST 207/231/259/273/2100等五个Action,该行动由36个国家的120多个大学、研究机构和公司组成,其研究目的是:在绿色、纯净、节能的环境中进行可协作的通信。其中有五个主题工作组:人体环境组、机车环境组、室内环境组、城市环境组、空中性能测试组。MIMO OTA的讨论就是在空中性能测试组里面进行的。

简而言之,COST的属性更像是一个松散的学术组织,而不是标准组织,也正因相对自由的学术环境,COST 2100及IC1004中对MIMO OTA在技术层面的讨论最为深入和客观,MPAC/RTS/RC等方案在其中都有多篇重要的论文输出,大部分研习电波传播、信道编码的专家支持MPAC,而擅长天线设计的部分学者则在探索RC完成MIMO OTA的可行性。

4. 3GPP:

3GPP RAN4对MIMO OTA的讨论已进行了多年,但来自各方的意见一直无法统一,使得标准的制定实际上陷入了停滞状态;在2015年8月24-28日在北京举行的TSG RAN WG4第76次会议当中,原计划“统一”几种测试方法的目标并未达成,实际上,由于原理上根本差异,几个方法及其限值的统一本身就是一种政治博弈和数字游戏。

四、研发工程师当前调试手机MIMO性能时的疑惑

研发、测试工程师在单天线时代习惯于用天线增益或SISO OTA的TRP、TIS等参量去定义、调试被测物的天线性能,然而沿用这种思路将在MIMO 时代遇到困惑:MIMO的实际性能强烈地依赖于无线信道,广义的无线信道包含外部无线传播环境,以及收、发端的天线系统,在讨论MIMO的系统容量与信道之间的联系时,提及较多的是“空间相关性”(Spatial Correlation)——这并不是一个定值,而是一个因信道模型而变化的参量。

另一方面,对普通消费者来说,技术参数对他们是透明的,用户只看手机的下载速率高低,即吞吐量——而这也是MIMO OTA的考核指标,同时也被运营商采纳用于区分手机性能优劣;然而,对于手机研发部门来说,则需要在TRP和TIS以外,找到一个新的调试方法或若干参数,使得在最终的MIMO OTA吞吐量指标不佳时,能够在研发的初期通过考核该参数达到调试、提高最终吞吐量的目的。

一个常常被天线工程师引用、测试的参数是包络相关系数ECC(Envelope Correlation Coefficient),而令工程师们困惑的是,有时虽然能够把ECC调到很低,但MIMO OTA得出的吞吐量性能却没有相应地得到提升——他们很有可能忽略了ECC本身的定义当中所包含的信道参量:角度功率谱(PAS, Power Angular Spectrum);即,测试软件做ECC计算时默认的信道PAS,很可能与MIMO OTA中标准采用的UMi或UMa不符,这样一来,ECC与MIMO OTA的吞吐量测试结果就很难建立对应关系。

目前在CCSA或CTIA所采用的信道模型是多簇UMi或UMa(且仅为2D!),而有些软件默认的则是Taga在[4]中的PAS,在水平面上是均匀分布,而在垂直方向上是高斯分布,如下图所示:

 

五、MIMO OTA的未来演进:

我个人的看法,未来MIMO OTA将以MPAC为主流方案,在以下几个方向进行演进:

1.  WIFi的MIMO OTA:

到目前为止,大部分商用MPAC方案受制与硬件条件,只能完成LTE手机下行吞吐量测试,然而自从WiFi使用新的802.11ac以后,其MIMO性能的评估与优化则备受关注;从MPAC本身来说是可以支持WiFi测试的,但在信道模型、综测仪、频率范围、带宽等方面,系统集成商和仪表厂商还需要假以时日。

2.  3D MIMO OTA

如前所述,当前无论是CTIA还是3GPP或国内行标,MPAC方案均局限于2D信道模型,这是在考虑到成本因素后,对真实信道模型的一种简化。这种简化会失去了Z轴上的空间域信息,对于未来5G所采用的3D MIMO技术及其所引入3D信道模型,2D MIMO OTA将无法准确重建;此外,对于WiFi等室内场景,信道在Z轴上的空间域信息将变得更重要,这意味着3D MIMO OTA将是一个重要的研究方向。

在国内,通过与中科国技(www.hwa-tech.com)五年来的深度合作,广播电视规划院是第一个也是目前唯一一个建立3D MIMO OTA基础环境的实验室。


 

3. 双向MIMO OTA:

LTE实际上已规定了利用CSI(Channel State Information)提升TDD和FDD的性能,然而在目前的MIMO OTA测试方案当中,由于没有考虑上行链路的信道衰落,对系统及终端整体性能的评估是不尽真实的;在实现双向MIMO OTA之前,除了成本因素,还需要在算法上考虑FDD上下行信道时的相关性特征(TDD则可以相对容易实现);此外,LTE-A中已规定手机将执行上行4x4 MIMO,也就是说手机端的4根天线做发射传输上行数据,其性能的评估将有赖于双向MIMO OTA。

4. 人手模型对终端性能的影响

自从IPHONE4出现手握持对信号的影响之后,传统SISO OTA加入人手、人头进行测试已是趋势,然而到目前为止,标准化组织还未对MIMO OTA中加入人头手进行讨论——这项工作开展之前,首先需要有一个可用于MIMO OTA测试的人手模型,进行一些科学实验。

2014年,广播电视规划院、中科国技与瑞士Speag合作,在CCSA提出了一个议案,按照中国人手的尺寸,制定了一个人手模型,下一步的工作,就是在这个人手模型的基础上,做一些MIMO OTA实际测试数据的积累和分析。

 

5. 大尺寸被测物及5G Massive MIMO测试:

MPAC当前标准配置的8个探头实际上能支持的被测物尺寸局限于0.7倍波长[5],未来包括大尺寸手机、pad、笔记本乃至带有无线收发功能的电视机的出现,将大大突破目前测试区域的极限,在测试区域之外所经历的信道与目标信道不一致,这将使得测试结果变得不可信;另一方面,Massive MIMO所采用的天线阵列数量将大大超过目前的规模,通过传导逐一考量每一通道的性能是费时费力的,而且无法验证作为一个整体的实际效果,此处将可能是MIMO OTA的一个重要应用场景——但此时在MIMO OTA中原来的平面波假设将不再成立,如何解决大尺寸被测物[6],乃至Massive MIMO的测试需求,要在信道建模算法层面重新进行优化和创新。

除了以上列举的方向,其他如MPAC的小型化、不确定度分析、干扰加入及虚拟路测等,都是MIMO OTA的重要研究课题,限于篇幅不能一一列举,取得突破性进展的关键在于信道建模算法和理论的创新,同时也需要结合射频与微波技术的经验。可以预见得到,MIMO OTA这项测试技术的演进,将为未来多天线产品及系统性能的优化和提升起到不可替代的重要作用,而其应用场景也将不再仅仅局限于手机测试,更可能发展到为汽车或基站等大型被测物提供准确的MIMO性能评估服务。

作者简介:

吴醒峰,男,博士,IEEE高级会员,教授级高级工程师,2007年毕业于北京邮电大学并取得博士学位,同年加入广播电视规划院无线所,2011年12月至2012年11月以访问学者身份赴英国York大学进修一年,目前任职广播电视规划院EMC&OTA实验室主任,2015年8月建立了国内第一个3D MIMO OTA实验室。主要研究领域为无线信道、电波传播与电磁兼容等。代表广播电视规划院参加欧洲COST IC1004、北美CTIA MIMO OTA组、中国通信标准化协会(CCSA)TC9及全国无线电业务保护标准化分技术委员会H分会的学术与标准化工作,并担任联络人。