LTE终端的多天线测试

2015-04-15王玮罗德与施瓦茨中国科技有限公司

信息通信技术与政策 2015年3期

王玮罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司

罗德与施瓦茨技术专栏

LTE终端的多天线测试

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编者按：纯粹的天线测试以及纯粹的接收机的测试，实际用户在使用的时候，是在两者存在的情况下使用的；而在测试的时候，这两个方面的测试含义却截然不同，所使用的测试环境以及测试搭建也有很大的区别。单纯的MIMO接收机的测试是在传导连接、基站信号衰落的条件下进行测试；而单纯的MIMO天线测试则是在辐射、无衰落的条件下在无回波暗室中完成的。罗德与施瓦茨（中国）科技有限公司王玮所撰《LTE终端的多天线测试》一文介绍了LTE多天线测试的一些基本概念，以及不同的测试目的所需要的不同的测试环境的搭建，包括针对天线的测试以及针对接收机的测试。由于多天线应用的引入，测试的复杂程度也大大增加，无论是针对接收机的测试还是天线本身的测试。

1 LTE系统的多天线模式

1.1 TransmissionMode

LTE的R8规范给下行共享信道PDSCH定义了7种发射模式；R9增加TM8（双流波束赋形）；R10增强了TM8，引入了TM9（最高8Layer波束赋形）。具体参考3GPP TS 36.213，Table 7.1-5:PDCCH and PDSCH ConfiguredbyC-RNTI（见表1）。本文将对表1中的部分信息进行介绍。

Transmission Scheme of PDSCH Corresponding to PDCCH为本文要讨论的部分重要内容，因为截止到LTE的R9规范，LTE在上行只定义了单根天线发射，即只有主天线会发射上行信号，辅天线和主天线在下行方向上接收基站侧的信号，而PDSCH主要承载业务，因此本文主要对PDSCH信道的多天线应用进行介绍。

LTE的TransmissionMode可以按照目的分类，具体参见表2。

表2 LTE的TransmissionMode分类

注意：由于接收分集的处理在终端侧，基站侧无需做任何改动，因此PDSCH并没有定义接收分集的发射模式，因为这种处理方式与基站无关。

除了要理解Transmission Scheme的含义以外，Table 7.1-5还涉及到几个关键词，即RNTI、DCI Format、Antenna Port，这些关键词对于理解表格十分重要。

（1）RNTI

表1 Tanle7.1-5:PDCCHandPDSCHComfiguredbyC-RNTI

RNTI是终端的一种标识，长度为16bit的Binary信息，E-UTRAN用这16bit的信息来加扰PDCCH信道编码过程中的CRC校验位，PDCCH的CRC长度为16bit，RNTI要同CRC保持一致，这也是RNTI设计为16bit的原因。

LTE系统中的RNTI包括SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI、C-RNTI、SPS-RNTI、TPC-RNTI等，终端的不同状态决定了可能使用到什么样的RNTI，如在随机接入过程中，终端会被分配到RA-RNTI，进一步使用该RA-RNTI发起RRC连接请求。在RRC连接状态，UE会使用C-RNTI来解扰PDCCH的CRC来确认相应的PDCCH信息是否针对该UE，如果有的话，UE盲解PDCCH的内容，即DCI来进行上下行业务（PDSCH、PUSCH）的动态调度。因此，Table 7.1-5的标题“PDCCHandPDSCHConfiguredbyC-RNTI”，可以理解为“终端有下行数据需要接收”。

（2）DCIFormat

DCI就是PDCCH的内容，具体分类和功能如表3所示。

表3 DCI分类和功能

实际上，终端是按照PDCCH中DCI的指示来解调下行的用户数据。当讨论LTE下行多天线应用时，涉及到的DCI就只有DCI1和DCI2两种，这也是Table 7.1-5中DCI只有DCI1和DCI2两种的原因。这两个DCI分别用来调度1个CodeWord和2个CodeWord的数据接收。

（3）AntennaPort

AntennaPort应该是在LTE系统中最容易被误解的概念之一，首先人们容易将AntennaPort误解为物理上的发射天线。而实际上AntennaPort是一个逻辑概念，而非物理上的天线概念。其次，当人们了解到这是一个逻辑概念的时候，就会查找规范中关于它的原始定义，AntennaPort定义在3GPPTS36.211中，规范中的定义如下：AnAntennaPortisDefinedSuchthattheChannel overWhich a Symbol on theAntenna Port is Conveyed Can be Inferred from the Channel over Which Another SymbolontheSameAntennaPortisConveyed。由于规范的描述问题，即使是英语母语的人，看了上述定义之后也往往是一头雾水。

本文不再分析规范中的定义，而直接给出结论：首先Antenna Port是经历相同信道过程的一类信号，对于每一种信道过程LTE会定义一种Reference Signal（参考信号），而LTE对于下行不同的传输应用定义了不同的Antenna Port，因此也引入了不同的参考信号，之间的关系如表4所示。

1.2 概述

表4 AntennaPort中几种参考信号的关系

通过以上的概念介绍，可以理解LTE终端的发射模式为：当终端在进行数据业务的时候，基站会给终端配置一个标识，用以区别其它的终端，这个标识即C-RNTI。基站会根据基站和终端的实际情况来确定使用哪种多天线模式进行通信，如果是终端需要提高信噪比，保证可靠传输，改善覆盖，则可以使用分集、波束赋形的方式来进行传输。如果终端本身传输环境很好，需要提高传输速率的情况下，则可以使用开环或者闭环空分复用，或双流波束赋形的方式进行传输。

终端需要盲解PDCCH中包含的DCI信息来协助下行PDSCH信道的解调。同时，对于基站不同的发射模式，由于信号会在信道中经历不同的过程，LTE将信道过程类似的信号定义为一个天线端口（AntennaPort），并且定义了相应的参考信号来辅助这类信号的解调。例如，空分复用定义了最多4个天线端口，即AntennaPort0～3，单流波束赋形定义了一个天线端口，即Antenna5。

2 基于CMW500的多天线测试

当笔者将本文题目写为“LTE终端的多天线测试”时，实际上是希望读者能够了解到题目包含了两方面的含义，即纯粹的天线测试以及纯粹的接收机的测试，实际用户在使用的时候，是在两者都存在的情况下使用的；而在测试的时候，这两个方面的测试含义却截然不同，所使用的测试环境以及测试搭建也有很大的区别。单纯的MIMO接收机的测试是在传导连接、基站信号衰落的条件下进行测试的；而单纯的MIMO天线测试是在辐射、无衰落的条件下在无回波暗室中完成的。

现实的MIMO应用场景如图1所示，可以分为基站、信道、终端3个部分，其中终端又可以分为MIMO天线和MIMO接收机两个部分。MIMO接收机部分的测试主要定义在3GPPTS36.521的第8、9章。测试项目定义了测试结果需要达到的门限，结果就是Pass或者Fail。而MIMO天线的部分主要是希望MIMO天线能够尽可能不增强信号之间的相关性，在各种角度以及极化方向上都能给用户提供很好的用户体验。

图1 现实MIMO应用场景

传统的2G/3G终端由于仅涉及收发各一根天线，因此整个终端的天线测试主要是TRP和TIS两个指标，目的是希望终端的天线在各种角度以及极化方向下都保持相近的方向性，保证整个通信链路的正常通信。

而LTE则更复杂一些，由于LTE是纯粹的数据网络，不包含电路域的连接，因此整个天线测试的目标除了TRP和TIS之外，还需要测量各个角度以及极化方向下的数据传输速率。

但无论是测试MIMO天线，还是测试MIMO接收机，其中的核心部分都是CMW500这个基站模拟器。本文希望通过概念介绍以及测试用例搭建来让读者对两方面的测试都有初步的了解。

3 测试用例以及测试搭建

3.1 LTEMIMO接收机测试

基于CMW500的MIMO接收机测试可以测试LTE的多种发射模式，其中包括了分集（TM2：发射分集、TM1：接收分集）、空分复用（TM3：开环空分复用、TM4：闭环空分复用、TM6：闭环空分复用—单层）和波束赋形（TM7：单流波束赋形、TM8：双流波束赋形），还包括不同发射模式下的各种DCI下发。

CMW的发射模式不包括TM5（即多用户MIMO），TM5通过将下行多个用户配对为多个数据流，使得不同用户复用空间自由度，而不再是作为两个独立的用户占用不同的时间频率资源，从而提升基站的下行吞吐量，因此更多是对于基站和多个终端的测试。下面以一个简单的试验介绍LTEMIMO接收机测试，测试来自3GPP TS 36.211，8.2.1.3.1 FDD PDSCH OpenLoopSpatialMultiplexing2×2。该测试的最小要求如表5所示。

EVA70描述了信道的衰落模型，其中EVA（ExtendedVehicleA）代表了不同的信号副本延迟以及衰落模型，70代表了终端多普勒频移为70Hz，根据多普勒频移和下行频率可以计算出终端的运动速率。

CMW500内置了3GPP标准的信道模型，因此可以直接在配置了内置衰落选件的CMW500选择衰落模型或者外接衰落模拟器（见图2）。

其中，Correlation Matrix and Antenna Configura-tion=2×2 Low，这个参数可以参考TS36.521规范，Table B.2.3.2-1的描述，实际上代表了基站的发射天线和终端的接收天线不会附加额外的相关性。测试用例的搭建可以简化成如图3所示模型。信噪比的要求可以在CMW500里面设置信道功率和AWGN来完成配置。测试的其它配置可以参考测试规范，该测试在传导模式下使用CMW500和Fader即可，Fader可以是CMW500内置的B510F衰落选件，也可以配置外置的衰落模拟器AMU200来完成。