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        MIMO OTA在手機產品研發中的意義及其未來演進

        一、引言

        作為高速無線通信的重要技術,MIMO(多輸入多輸出)已經被LTE、LTE-A及WiFi 802.11ac等標準規范所采納,且將毫無懸念地繼續應用于未來的5G高速無線通信系統當中。近年來配置了多根天線的WiFi路由器在家用市場上出現,則是一般消費者對于MIMO最直觀的認識——實際上在各類4G手機內部早已布置有多根(2根接收)天線,也就是說,4G用戶其實每天都在使用MIMO技術。

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

        然而對于MIMO這樣一個系統,其無線性能同時取決于收發天線、基帶芯片算法與外部信道環境,常規的傳導測試早已無法適用,必須模擬目標信道環境,使用空口測試方法OTA(Over The Air)考察整機性能,這種針對多天線設備的無線性能進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方法對不同手機無線性能進行排位的情況,當然這張圖僅僅顯示了某一個頻段及特定條件下的測試結果。

         

        二、MIMO OTA的三種流派

        早在2009年,歐洲COST 2100(http://www.cost2100.org/)就對MIMO OTA進行了學術方面的討論和探索,并開始向3GPP進行輸出,到2015年,陸續有以下三類解決方案漸趨穩定:

        1. 多探頭方案(MPAC:Multi-Probe Anechoic Chamber):MPAC是目前被學術界和工業界廣為接受的一種方案,能夠可控地復現信道在時域、頻域、空間域的特性,已被多個標準組織的認可;由于其原理的完善性,該方案的演進還可能應用于未來的WiFi AP、基站、車聯網以及Massive MIMO等測試場景。

         

        2. 混響室方案(RC:Reverberation Chamber):作為一種經濟型方案,混響室用于MIMO OTA測試從一開始就受到了企業天線設計、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最重要的技術突破所在——而缺乏對空間域(如離開角、到達角、角度擴展等)特性的控制,使得該方案將難以承載未來MIMO研發測試的需求,這對前期已購買RC方案的廠商來說,是一個很大的投資風險。

        3. 輻射兩步法(RTS:Radiated Two Stage):從2009年由Agilent公司提出的傳導兩步法演進至今,其理論基礎與MPAC一致,只是在實現方法上需要得到手機芯片的支持:根據芯片上報的信息,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,但其大瓶頸是工程實施與工業推廣,另外,RTS的測試準確度或精度將受限于被測終端的上報數據。

        此外,以前還出現過的一些提案,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MIMO OTA標準化最新進展

        1. 國內:CCSA

        在MIMO OTA標準化的進展方面,國內基本與國際同步甚至領先,由中國通信標準化協會(www.CCSA.org.cn)牽頭制定的行業標準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,這一版的行標正文中規定采用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,RC方案則完全沒有進入該標準[2]。

        2. 北美:CTIA

        CTIA作為北美運營商的一個技術聯盟,其主旨更多地是為運營商服務,而運營商對MIMO OTA的主要需求,是區分不同4G手機終端的性能優劣。

        CTIA作為一個偏工業化的組織,相比于3GPP RAN4,其運行更為高效,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]。在這一版本的標準中,MPAC被唯一地指定為可同時擔負手機的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TM2,而不得進行TM3模式的測試。

         

        3. 歐洲:COST IC1004

        COST是European COoperation in Science and Technology的縮寫,意為歐洲科學與技術研究合作,是由歐洲各政府之間協作成立的研究合作方面最悠久也是大的跨政府網絡,COST IC1004 action (www.ic1004.org)始于2011年,是2010年結束的COST 2100 action的延續,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、研究機構和公司組成,其研究目的是:在綠色、純凈、節能的環境中進行可協作的通信。其中有五個主題工作組:人體環境組、機車環境組、室內環境組、城市環境組、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行的。

        簡而言之,COST的屬性更像是一個松散的學術組織,而不是標準組織,也正因相對自由的學術環境,COST 2100及IC1004中對MIMO OTA在技術層面的討論為深入和客觀,MPAC/RTS/RC等方案在其中都有多篇重要的論文輸出,大部分研習電波傳播、信道編碼的專家支持MPAC,而擅長天線設計的部分學者則在探索RC完成MIMO OTA的可行性。

        4. 3GPP

        3GPP RAN4對MIMO OTA的討論已進行了多年,但來自各方的意見一直無法統一,使得標準的制定實際上陷入了停滯狀態;在2015年8月24-28日在北京舉行的TSG RAN WG4第76次會議當中,原計劃“統一”幾種測試方法的目標并未達成,實際上,由于原理上根本差異,幾個方法及其限值的統一本身就是一種政治博弈和數字游戲。

        四、研發工程師當前調試手機MIMO性能時的疑惑

        研發、測試工程師在單天線時代習慣于用天線增益或SISO OTA的TRP、TIS等參量去定義、調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境,以及收、發端的天線系統,在討論MIMO的系統容量與信道之間的聯系時,提及較多的是“空間相關性”(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,對普通消費者來說,技術參數對他們是透明的,用戶只看手機的下載速率高低,即吞吐量——而這也是MIMO OTA的考核指標,同時也被運營商采納用于區分手機性能優劣;然而,對于手機研發部門來說,則需要在TRP和TIS以外,找到一個新的調試方法或若干參數,使得在最終的MIMO OTA吞吐量指標不佳時,能夠在研發的初期通過考核該參數達到調試、提高最終吞吐量的目的。

        一個常常被天線工程師引用、測試的參數是包絡相關系數ECC(Envelope Correlation Coefficient),而令工程師們困惑的是,有時雖然能夠把ECC調到很低,但MIMO OTA得出的吞吐量性能卻沒有相應地得到提升——他們很有可能忽略了ECC本身的定義當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計算時默認的信道PAS,很可能與MIMO OTA中標準采用的UMi或UMa不符,這樣一來,ECC與MIMO OTA的吞吐量測試結果就很難建立對應關系。

        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:

         

        五、MIMO OTA的未來演進:

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

        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性能的評估與優化則備受關注;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,系統集成商和儀表廠商還需要假以時日。

        2.  3D MIMO OTA

        如前所述,當前無論是CTIA還是3GPP或國內行標,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技術及其所引入3D信道模型,2D MIMO OTA將無法準確重建;此外,對于WiFi等室內場景,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,通過與中科國技(www.hwa-tech.com)五年來的深度合作,廣播電視規劃院是第一個也是目前唯一一個建立3D MIMO OTA基礎環境的實驗室。

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        3. 雙向MIMO OTA:

        LTE實際上已規定了利用CSI(Channel State Information)提升TDD和FDD的性能,然而在目前的MIMO OTA測試方案當中,由于沒有考慮上行鏈路的信道衰落,對系統及終端整體性能的評估是不盡真實的;在實現雙向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性特征(TDD則可以相對容易實現);此外,LTE-A中已規定手機將執行上行4x4 MIMO,也就是說手機端的4根天線做發射傳輸上行數據,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出現手握持對信號的影響之后,傳統SISO OTA加入人手、人頭進行測試已是趨勢,然而到目前為止,標準化組織還未對MIMO OTA中加入人頭手進行討論——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,進行一些科學實驗。

        2014年,廣播電視規劃院、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上,做一些MIMO OTA實際測試數據的積累和分析。

         

        5. 大尺寸被測物及5G Massive MIMO測試:

        MPAC當前標準配置的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、pad、筆記本乃至帶有無線收發功能的電視機的出現,將大大突破目前測試區域的極限,在測試區域之外所經歷的信道與目標信道不一致,這將使得測試結果變得不可信;另一方面,Massive MIMO所采用的天線陣列數量將大大超過目前的規模,通過傳導逐一考量每一通道的性能是費時費力的,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的一個重要應用場景——但此時在MIMO OTA中原來的平面波假設將不再成立,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行優化和創新。

        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,取得突破性進展的關鍵在于信道建模算法和理論的創新,同時也需要結合射頻與微波技術的經驗??梢灶A見得到,MIMO OTA這項測試技術的演進,將為未來多天線產品及系統性能的優化和提升起到不可替代的重要作用,而其應用場景也將不再僅僅局限于手機測試,更可能發展到為汽車或基站等大型被測物提供準確的MIMO性能評估服務。

        作者簡介:

        吳醒峰,男,博士,IEEE高級會員,教授級高級工程師,2007年畢業于北京郵電大學并取得博士學位,同年加入廣播電視規劃院無線所,2011年12月至2012年11月以訪問學者身份赴英國York大學進修一年,目前任職廣播電視規劃院EMC&OTA實驗室主任,2015年8月建立了國內第一個3D MIMO OTA實驗室。主要研究領域為無線信道、電波傳播與電磁兼容等。代表廣播電視規劃院參加歐洲COST IC1004、北美CTIA MIMO OTA組、中國通信標準化協會(CCSA)TC9及全國無線電業務保護標準化分技術委員會H分會的學術與標準化工作,并擔任聯絡人。

         


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