八天线LTE系统测试挑战

TD-LTE、FDD-LTE和LTE-Advanced(LTE-A)无线技术使用了几种不同的多种输入多路输出(MIMO)技术。鉴于MIMO系统的复杂性正在日益提高，因此相关的测试方法也将更具挑战性。例如，当前已部署的MIMO技术利用两具天线来改善信道性能。还有一些LTE社区已率先开始采用八天线技术来实现更高的性能。这些先进的技术将使测试方法的选择变得更为至关重要。

要想找到正确的方法，必须要充分理解每一版本的LTE所使用的天线技术。例如，波束是TD-LTE的一项关键特性。尽管它在某些场景下是一种极具吸引力的传输方案(例如开放的乡村地区或热点覆盖区)，但它并不总是最佳的方法。波束赋型可以提高蜂窝中接收信号的信噪比(SNR)，从而扩大覆盖范围或改善蜂窝边缘区域的用户体验。它还可以从空间上对信号的范围加以限制，从而将干扰降至最低。在信噪比充足的地区，波束赋型并不能使数据速率得到提高。

通过在空间上复用并发数据流，MIMO可以在低关联、高信噪比信道条件下提高数据吞吐量。为了优化MIMO数据速率，TD-LTE使用包含八具天线的组件。在图1中，有四具天线(以蓝色显示)在物理上形成了角度相同的极化，而另外四具天线(以绿色显示)则与前面的四具天线形成了物理正交的关系。

图1：此图显示的是一个TD-LTE eNodeB天线配置，可以用于优化MIMO数据速率。

通过形成一个指向具体用户设备(UE)的波束，这两组四天线组件可以增强信噪比。两个正交极化的波束能够有效地模仿出两个存在较低关联天线，即使实际的空间关联较高也没问题。因此，这种天线配置能够扩大覆盖范围，使更广泛的高数据速率传输成为可能(图2)。

图2：一个形成正交极化波束的8×2波束赋型系统。

除TD-LTE外，八天线技术还可用于FDD-LTE。网络运营商可以利用该天线配置来增强上行链路的接收效果，解决低功率用户设备链路预算限制的问题。3GPP的RAN1工作组正在积极讨论八天线技术在LTE-A的实用化部署。

在传统的性能测试中，天线模式，即一个天线阵列在每个方向上的信号增益，通常都会被忽视。这部分是因为，在传统的单路输入单路输出(SISO)系统进行的测试中，人们往往会假设天线都是全向的。但对于多数基站来说，事实并非如此。信号强度的方向性在MIMO空间信道中发挥着重要的作用，而在波束赋型应用中的作用则更为关键。因此，在测试八天线系统时，认真考虑天线的模式将是至关重要的。

为了发挥八天线阵列的全部优势，LTE和LTE-A系统会使用双层波束赋型，以及干扰抑制和合并(IRC)等接收机技术。使用IRC技术时，eNodeB基础接收机站(BTS)使用从多种用户设备收集到信息(通常是各噪音源之间的交叉共变)，从而以智能化的方式对噪音加以抑制。这类方案会增加MIMO信道仿真的复杂性。此外，它们还会带来如下的测试挑战：

信道的数量：要想对一个波束赋型系统进行测试，就必须建立起MIMO信道。在TD-LTE中，上行和下行链路在特性上是相同的。在FD-LTE中，信道的关联程度可能较高或较低–这要依频率间隔或所观察到的(Rayleigh衰减、阴影衰减等)衰减水平等因素的而定。在实验室中为测试用途而创建的任何RF信道必须将这些细节考虑在内。

对于八天线系统来说，此类测试很明显将涉及大量的RF信道。例如，一个8×2双向MIMO信道就需要16个RF信道。在许多实验室中，空间RF都是一个重要的因素。因此，提供这一能力可以大幅度增强能力，同时又不会导致测试平台的规模出现不成比例的异常增长。

此外，要想实现信道互易性，就要求对8×2双向MIMO测试系统进行相位校准，只有校准后才能对系统的波束赋型能力进行测试。有效的相位调整和信道校准都是实现可靠和高效测试的关键因素。信道数量的这种增加还要求更RF硬件更密集地集成到系统中。如果不能有效集成，在有大量外侧分离器、合并器和循环器等设备的条件下，精确和可靠地实现RF信道几乎会成为一项不可能完成的任务。

先进的信道建模：由于八天线LTE系统使用了先进的天线技术，测试中所用的建模信道必须重现这些技术中所用信道的实际物理特性。如果在仿真结果中不能将所有的细节都囊括在内，则有可能建立不正确的基准，从而无法对真正的系统性能进行评价。例如，极化会影响用户设备接收到的信号功率。与无极化的案例相比，接收到的信号功率明显较低。这种由于极化直接造成的损失取决于用户设备与eNodeB天线阵列之间的相对方向。

天线模式也对信号强度有直接的影响。接收信号的功率会随信号行进方向的不同而有所变化。由于每种可能的场景都有一系列独特的离去角(AoD)，因此功率也会随方向的不同而有所变化。当天线模式和极化结合在一起时，这个问题会变得更难应付。下表显示的双信道场景下不同组合造成的功率损失。表中的“X”代表一个交叉极化天线对，而竖线(||)代表的是无极化的天线组件。

表：极化和天线模式对接收功率产生的影响。

动态场景：对于一种波束赋型系统而言，仅在静态(非移动)条件下进行测试是远远不够的。波束赋型基本上包含两个步骤：估计用户设备的方向，以及将波束指向该方向。当用户设备移动时，它(相对于eNodeB天线阵列)的方向也会改变。在理解系统性能的过程中，这种现象会带来两个基本的问题：系统跟踪用户设备移动的速度有多快，以及系统的性能会因此受到怎样的影响?为了解答这些问题，我们必须使用能够代表实际运行条件的动态场景来对波束赋型系统进行测试。