作者简介
孙浩
吴翔
潘冲
论文引用格式:
孙浩, 吴翔, 潘冲. 面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(10):79-86.
面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究
孙浩 吴翔 潘冲
(中国信息通信研究院移动通信创新中心,北京 100191)
摘要:以面向毫米波大规模多输入多输出天线的空口(Over-The-Air,OTA)测试为研究背景,旨在探究毫米波信道的重要特征对OTA测试系统的影响,以便研究与之相匹配的OTA测试系统架构和毫米波信道重构算法,进而准确评估毫米波设备的系统性能。不同于Sub-6 GHz频段的OTA测试,通过分析毫米波信道的几个重要特征,进而分析其对毫米波OTA测试系统和信道重构方法带来的影响;阐述了两种现有的毫米波OTA测试系统模型及其实现原理,并对其各自存在的问题进行了分析;最后讨论了采用空间相关性作为毫米波信道重构准则存在的问题,进而分析了采用空间谱作为毫米波信道重构准则的优势,并就重构动态毫米波信道时如何快速获得任意时刻的OTA探头权重提出构想。
关键词:波束赋形;毫米波信道;空口测试;空间相关性
中图分类号:TN928;TN929.5 文献标志码:A
引用格式:孙浩, 吴翔, 潘冲. 面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(10):79-86.
DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2022.10.012
0 引言
鉴于毫米波频段拥有海量频谱资源,在5G移动通信中对毫米波的研究引起了科研人员的广泛关注。预计毫米波频段的可用带宽应比当前Sub-6 GHz频段的带宽有极大提高,可以满足未来对数据高速率传输的要求。然而,与Sub-6 GHz频段相比,毫米波的穿透损耗和散射损耗更大,使得信号在毫米波信道传输过程中受到更高的路径损耗和传输阻塞[1]。为了克服巨大的路径损耗,以保证较大的接收功率,毫米波天线应提供更大的增益以确保系统较高的信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio,SINR)。而大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)作为5G通信的关键技术,通过布置大规模天线阵可以有效提高通信链路的可靠性,显著补偿毫米波信道严重的路径损耗[1],进而发挥毫米波频段的优势。现阶段,为了促进毫米波天线设备的研发和部署,需要在毫米波频段下对大规模MIMO设备的天线和基带性能进行评估。因此,研究一种准确可控的性能评估方法对毫米波大规模MIMO设备的研发十分重要。
用于评估3G和4G多天线设备的传导测试方法已无法用于评估毫米波大规模MIMO天线设备的性能[2]。主要原因有:配备数十根乃至数百根天线阵元的大规模天线设备是一个高度集成的单元,不再提供用于传导测试的天线端口;评估大规模多天线设备的性能需考虑设备的波束能力,如波束赋形、追踪等,而传导测试直接将射频线缆连接到多天线设备的天线端口上,无法反映出多天线设备的波束能力。综上两方面原因,鉴于传导方法对测试大规模天线设备的局限性以及毫米波大规模天线设备自身的性能要求,在对毫米波多天线设备进行性能评估时将采用空口测试方法,其辐射天线直接用作测试接口。毫米波设备的辐射测试对象主要为设备的发射机和接收机。发射机测量主要关注输出功率、调制能力与非期望辐射等。接收机测量,主要关注接收信号解调能力测试。对无线资源管理的测试,主要关注初始系统接入、连接配置、移动性和切换、波束捕获、细化和跟踪等[3]。本文主要关注的是对毫米波多天线设备的系统性能测试,即对系统吞吐量的评估。
1 辐射测试方法及可行性分析
1.1 混响室法
混响室是一个封闭的金属腔体,内部通常配备有金属搅拌器和转台,可以用来表征单天线系统的特征,如总辐射功率(Total Radiated Power,TRP)和总辐射灵敏度(Total Radiated Sensitivity,TRS)。通过混响室法可以在金属腔内模拟具有统计各向同性的空间角分布和信道为瑞利衰落的多径环境。然而,混响室法自身存在一定的局限性:首先,该方法对信道功率时延谱(Power Delay Profile,PDP)和多普勒扩展的模拟是有限的,需要结合信道模拟器才能得到期望的PDP和多普勒扩展[5];其次,混响室内的统计各向同性决定了重构的信道具有相等的垂直极化和水平极化特征,所以该方法无法控制信道的空间角分布和交叉极化比(Cross-Polarization Power Ratio,XPR),即无法用于极化分集的场景;另外,毫米波信道的传播路径主要由少数几条构成[3],使得真实目标信道在接收天线空间域的方向性并非各向同性,而在暗室中模拟的信道环境并不符合这一特点。综上所述,该方法不能在空间域内按照目标信道模型的特征对其进行准确可控的重构。所以,混响室法并不适用于毫米波系统的OTA性能测试。
1.2 辐射两步法
辐射两步法是一种基于暗室的测量方法。该方法由两个阶段组成:在第一阶段中,通过常规单输入单输出(Single-Input Single-Output,SISO)OTA暗室获得DUT天线单元的方向图信息;第二阶段将测量到的辐射方向图嵌入到信道模拟器的空间信道模型中,进而生成衰落信号以便被暗室中的DUT接收。包含DUT天线阵子方向图的空间衰落信号通过OTA天线辐射至DUT天线,并且每个DUT天线对应一个OTA天线。通过该方法可以测量出OTA天线与DUT天线之间的传输矩阵,以计算逆传输矩阵对测试信号进行预编码。最初两步法是采用线缆的传导连接方式,故而称之为传导两步法。然而在使用过程中该方法无法对待测设备天线阵子间的自干扰进行评估,所以文献[6]将其修正为辐射测试方式,称为辐射两步法。相比于传导两步法,辐射两步法不仅考虑到了DUT天线间的自干扰,并且在评估系统吞吐量的过程中无需对待测设备进行拆解,保证了待测设备的完整性和测试方法的便利性。
辐射两步法是一种很有应用价值的静态毫米波天线测试方法,目前第三代合作伙伴计划(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)正在对有关工作进行讨论。然而,由于无法将第一阶段得到的被测天线方向图根据信道的变化及时做出改变以应用到第二阶段中[4],所以该方法并不适用于动态信道的OTA测试。并且在辐射两步法中,OTA天线的数量必须大于或等于DUT天线单元的数量,致使测试系统成本较高。综上,采用辐射两步法评估配备大规模天线的毫米波系统的性能是难以实现的。
1.3 多探头暗室法
无线信道中具有相近时延和离开角/到达角的多径分量可归为同一簇。在多探头暗室法(Multi-Probe Anechoic Chamber,MPAC)中,将信道衰落模拟器生成的每一个簇通过多个探头辐射出去,从而在暗室测试域内模拟所需的辐射传播环境。MPAC主要包括预衰落信号合成法(Prefaded Signals Synthesis,PFS)和平面波合成法(Plane Wave Synthesis,PWS)。通过这两种方法均可以在暗室测试域内生成统计特性相同的辐射传播环境。然而这两种方法的实现原理并不相同,PWS方法注重对簇内每条子径进行重构,是对具有特定到达角、多普勒频移和幅度的单一平面波进行合成,探头权重为复数;PFS方法则针对簇的整体,侧重于重构每一个簇的空间特征,且添加的探头权重为实数。所以,采用PFS信道重构方法,基本合成对象为单一的簇,其主要特征参数包括空间相关性、时延功率谱、多普勒频谱、交叉极化比等。
相比于PWS方法,PSF方法对于测试系统各个链路的相位一致性要求较低。然而,由于大规模MIMO设备的天线单元众多且射频器件自身受非线性效应的影响,很难对每个探头天线进行严格的相位校准。所以,在MPAC方案中,PFS法成为模拟毫米波目标信道的主流方法。但是,为了产生一个足够大的测试域以测试具有更大口径的毫米波大规模天线设备的性能,需要增加OTA天线和相应的信道模拟器通道的数量,这将增大测试系统的成本。因此,如何基于PFS方案准确重构毫米波信道及合理构建OTA测试系统是本文的研究重点。
2 毫米波信道特征及其对OTA测试系统的影响
2.1 大带宽相比于Sub-6
GHz信道,毫米波信道具有更大的带宽。信道模拟器作为无线通信测试的重要组成单元,通常用于产生发射机和接收机之间的无线信道,即真实无线传播环境可通过在信道模拟器中进行数学建模以完成物理实现。因此,信道模拟器被视为OTA测试系统必不可少的试验设备。然而,目前可商用信道模拟器通常为产生Sub-6 GHz信道而设计,可支持带宽有限。例如,文献[5]分别描述了最大支持带宽为50 MHz、100 MHz和160 MHz的商用Sub-6 GHz信道模拟器。但为了构建毫米波OTA测试系统,迫切需要设计一款适用于毫米波频段的信道模拟器。为了解决该问题,文献[7]介绍了如何基于现有的Sub-6 GHz信道模拟器生成毫米波信道模拟器,以实现从Sub-6 GHz频段到27.5~28.5 GHz的毫米波频段的信道仿真。具体原理如图1所示,混频器和本振(LO)将信号从某个频率范围变换到另一个频率范围。为了扩展系统带宽,信号在信道模拟器中被并行化处理。利用功率分配器、信道模拟器中的多个衰落单元和功率合成器,可以实现频带合并,进而通过上变频以生成毫米波射频信号。可以看到,为了产生毫米波信道,需要对OTA测试系统的结构进行匹配设计以满足毫米波信道大带宽的需求。
本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第10期
主办:中国信息通信研究院
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