基于MIMO OTA的多天线设备网络层性能测试

梁学俊 马玉娟 张志华

【摘 要】通常将物理层吞吐量作为MIMO OTA测试的性能指标，而多天线设备主要以支持数据应用为主，网络层吞吐率的测试与应用相关性更高。从多天线传输模式和MIMO OTA实现方式等方面介绍了网络层吞吐量测试的原理和方法，从工作层次、测试目的和影响对象等角度分析了物理层和网络层吞吐量的差异，通过实验结果对比和分析，说明以网络层吞吐量测试作为基于用户体验的MIMO OTA能力评估是必要的。

MIMO OTA；多天线；网络层；吞吐量

1 引言

目前，多天线技术（MIMO）已经被广泛应用于4G LTE/LTE+、Wi-Fi设备，并将继续用在5G产品中。通过在收发两端同时配置多根天线，利用无线传播的多径效应建立并行的空间传输通道，并运用先进的移动通信和信号处理技术，在不增加带宽和发射功率的情况下成倍提高无线通信的速率和可靠性。

对于MIMO，最直观的认识就是配置了多根天线的无线路由器，实际上大部分市售的4G LTE设备，下行使用的都是2×2 MIMO技术。对于即将到来的LTE+，将可能使用4×4乃至8×8 MIMO以便实现更好的用户体验。这意味着多天线设备内部空间需要设计出4根乃至8根接收天线，而多个天线单元之间还需要保持较好的增益平衡性和较高的隔离度。这对于那些体积较小的设备，尤其是需要支持多种通信模式及工作频段的设备，设计难度较大。这就需要依赖完善的天线性能测试技术得到准确的反馈，来对设计方案进行高效地迭代优化。

通常采用OTA 测试的方法，从设备整机的发射功率和接收灵敏度两个方面考察天线性能。但对于多天线设备，其性能同时取决于收发天线、基带芯片算法与外部信道环境，传统的OTA测试方法已无法适用。必须在实验室环境中使用空口测试方法模拟出目标信道环境，使多天线设备性能评估变得真正地可控制、可重复，这被称为MIMO OTA测试技术，由于涉及到电波传播、信道建模、数字信号处理及电磁场与微波等理论，其实现的复杂性和专业性大大增加[1]。

2 多天线传输

多天线技术根据实现方式的不同，可分为空间复用、空间分集和波束赋形三种模式。

（1）空间复用指发送端将高速数据流分成多路并行低速数据流，每个数据流可进行独立的编码和调制，并按预先定义的映射规则将各子数据流分配到不同的天线上发射[2]。利用不同空间信道间具有独立的衰落特性，在接收端采用最小均方误差或者串行干扰删除等技术，就能够区分出这些并行的数据流。这种方式下，使用相同的频率资源可以获取更高的数据传输速率，这意味着频谱效率和峰值速率都得到了改善和提髙。

（2）空间分集指发送端将同一信息进行正交编码后从多根天线上发射出去的分集方式，由于空时码字各行各列之间满足正交性，所以在接收端只需做简单的线性处理，即可将信号区分出来并进行合并，从而获得分集增益。正交编码相当于在发射端增加了信号的冗余度，因此可以减小由于信道衰落和噪声所导致的信号错误率，使传输可靠性和覆盖范围增加[3]。分集技术主要用来对抗信道衰落。

（3）波束赋形根据是否反馈信道状态信息，可分为开环和闭环两种类型[4]。开环波束赋形接收端不反馈任何信道状态信息，发送端仅通过对信道的准确估计，采用多根天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，降低用户间的干扰。闭环波束赋形时，发送端通过信道反馈可以了解全部或者部分信道状态信息，将信道矩阵进行分解得到相互正交的若干并行子信道，通过在这些并行子信道中同时传输不同的信息，在获得分集增益的同时，还可以通过阵列增益以消除或抑制干扰的影响，从而大幅度提高数据的传输速率和可靠性。

上述三种多天线传输模式各有优缺点，多天线设备通常会根据自身所处的信道环境，自适应地选择适合的实现方式，比如，在低移动速度环境下采用波束形成技术比较合适，而在高移動速度环境下采用空时编码是较好的选择。

3 MIMO OTA测试

由上述可知，多天线设备根据信道环境自适应地选择传输模式，这使得信道模型成为其性能测试研究和实现的重要参考依据。多天线设备性能的评估，最终被归结为基带算法与射频天线作为一个整体，在经历不同信道时，对时延、多普勒频移、空间相关性和极化信息的处理能力。这决定了MIMO OTA测试的一个核心内容是对现实信道的实验室重建工作[5]。

当前，有三种不同的MIMO OTA测试方案正在被国际标准组织3GPP和CTIA等进行研究及讨论。

（1）多探头法：主要原理是利用暗室消除电波的无用反射，信号通过信道仿真器经历预定义的信道模型后，经空间辐射传播到多天线设备，使之经历所需要的信道衰落。典型的实现方式如图1所示，在电波暗室里安装多个探头天线，每个探头的水平和垂直极化通道均与暗室外信道仿真器的输出端口一一对应相连。测试系统通过信道仿真器计算并控制暗室内各个探头天线所发射的信号，使得所有探头辐射的信号在被测设备周围相互叠加后与期望信道模型中下行信号具有相同的功率角度谱、多普勒频移和空间相关性，从而达到在暗室中模拟现实信道环境的目的。对无线信道中多径衰落，功率延迟以及多普勒效应的模拟是在信道仿真器中实现的，空间方向性（到达角）的模拟是通过安装在不同方向上的探头天线以及功率配比实现的[6]。

这种方法要将暗室、多探头天线、功率放大器、射频开关及测控软件集成起来，与信道仿真器协同工作。缺点是成本过于昂贵，系统校准与验证复杂。但优点也是显而易见的，这种方法将多天线设备经历的信道环境在实验室里可控地再现，能实时观察并记录其吞吐量表现，这不仅是测试认证的需要，同时也能为芯片研发、天线设计人员改善新技术、新算法提供协助。因此这种方法认可度很高，也是3GPP和CTIA所指定的测试方案。

（2）两步法：顾名思义，该方法包括两个步骤。第一步在暗室中测量天线增益，产生三维或二维的天线方向图。这里，被测多天线设备的芯片组必须支持测量天线单元的相对功率和相位，以便计算天线方向图。第二步，将信号通过信道模型与天线方向图结合在一起，利用传导法进行吞吐量的测量，实现方式如图2所示。这个方法对无线信道特征的模拟也是在信道仿真器中实现的，但对空间方向性的模拟是通过先测量天线方向图，然后在信道仿真器中用天线方向图和不同方向的衰落信道卷积来实现的。

这种方法优点是可以在现有的单天线（SISO）OTA暗室上进行升级，测量系统搭建和校准比较简单，因此相对经济，3GPP对这种方法予以接受[4]，缺点为不是实时测量。另外，由于它使用的是基带仿真技术来完成无线信道的模拟，要求基带厂家必须支持，这就造成在被测设备的适用性上有所限制。

（3）混响室（RC）法： 混响室的概念与电波暗室正好相反，后者尽量避免信号在传播到被测设备之前经历反射，而前者则通过各种方法使信号在混响室内部尽量多地经历反射之后再传达到被测设备，形成所谓的瑞利衰落。RC法利用一个金属腔或一组足够大的腔体提供多种驻波模式，信道模型通过金属搅拌片、转台、源天线和搅频技术合成实现，搅拌器和设备转台的旋转运动使得信号传播的功率和时间延迟在混响室内不断变化，模拟出丰富的均匀且各向同性的多径衰落环境。搅拌器的搅拌速度和混响室的几何尺寸也会直接影响信号的传播，由此模拟一定参数可调的信道传播模型[7]。

RC法的最大优点是便宜，灵活性比较高。由于不需描述空间信息，测试速度快，且在测试过程中进行了统计平均，使得结果数据显得稳定。缺点是无法在不同的功率、时延及到达角的条件下直接控制发射信号，只能给出最终信号服从瑞利分布的一个统计模型，因此适合做定性分析而不适合做定量测量。在这种情况下，一个混响室+信道仿真器的升级方案（RC+CE）就被提出来，如图3所示。信号在进入混响室之前，通过信道仿真器加入时延与多普勒频移，用以弥补原单一RC法的不足。这种方法虽然在一定程度上解决了混响室在模拟信道模型时遇到的问题，但在引入信道仿真器的同时也弱化了原单一RC法在经济性上的优势，同时对于角度扩展、到达角等空间域特征，由于混响室自身的固有条件限制，仍无法复现，这使多天线设备在空间相关性的验证能力，尤其是极化鉴别能力大幅下降[8]。

综合来看，从测试有效性上多探头法无疑是最优且最无争议的，但从成本考量则混响室法是最经济的方法，而两步法则是处于有效性和经济性之间的一种折衷考虑，但由于其是基带仿真，必须得到基带厂家的支持，这就造成在被测设备的适用性上有所局限[9]。仅从3GPP会议提案中显示的不同测量方法不确定度分析数据来看：多探头法是2.65 dB，两步法是2.08 dB，混响室+信道仿真器方法是2.59 dB，在正确实施的前提下，这三种方法的测量结果差异是有限的。

4 网络层性能测试

当前，物理层吞吐量作为MIMO OTA测试的性能指标被广泛接受。然而大部分多天线设备是以支持数据应用为主，网络层吞吐量与应用相关性更高，更贴近用户体验，所以基于MIMO OTA的网络层吞吐率测试是一种更加契合的方案，可应对设备形态、服务类型和用户体验所发生的变化。

物理层和网络层吞吐量测试工作层次不同、目的不同：物理层速率体现的是无线介质中的通信传输质量；网络层速率体现的是组网、业务优先级调度、确认或否认字符（ACK/NACK）后实际应用速率。影响对象不同：物理层速率主要受无线信道质量影响，例如信噪比、参考信号功率等；网络层速率则在物理层的基础上，受到业务类型和网络协议的影响[10]。可以说，物理层吞吐量是MIMO OTA测试的基础，网络层吞吐量是MIMO OTA在数据应用时代，基于用户体验的测试能力扩展。

本文以多探头法测试两天线设备为例说明两种测试的差异。暗室内部分主要由纵环测量天线阵列、横环测量天线阵列、通信天线、转台系统、激光定位等装置组成。其中纵环和横环测量天线阵列分别用于SISO和MIMO测试，通信天线用于在被测设备与外围测试仪表之间建立通信连接，转台系统用于控制被测设备水平方位角，激光定位系统用于辅助被测设备在暗室内的定位。除暗室外，系统还包含外围测试仪表，主要是综测仪、信道仿真器、多通道射频放大器、频谱分析仪、网络分析仪和探头阵列控制器等。

在物理层吞吐量测试时，利用综测仪模拟输出两路下行信号进入信道仿真器，信道仿真器根据预先选择的信道模型，对两路输入信号进行运算，得到经过指定信道模型衰落后，从不同水平角度到达被测设备的下行信号，然后将计算得到的来自不同角度的下行信号通过多通道放大器，一一映射到暗室内横环测量天线阵列上的多根测量天线上，多根测量天线同时发射，从而在被测设备周围模拟出所需的具有特定角度扩展、功率延迟和多普勒效应的空间信道场景。

被测设备的单路上行信号由一根通信天线反馈到综测仪，从而在综测仪与被测设备之间建立起上下行通信环路。综测仪和信道仿真器共同工作，控制下行信号功率以及下行发射信噪比。综测仪通过下行参考测量信道所设定的数据量以及终端所反馈的ACK/NACK信息，测量被测设备在不同下行功率和信噪比条件下的吞吐量，即为物理层吞吐量。网络层吞吐量测试则在上述基础上，使用Iperf软件建立综测仪和被测设备的网络层连接。Iperf是一款网络层测试工具，可以根据需要调整多种参数，可以报告带宽、延迟抖动和数据包丢失。网络层吞吐量测试时，被测设备以服务器的方式运行Iperf，测试端以客户端方式运行Iperf，并向被测设备发送数据包，测试端读取Iperf显示的吞吐量，即为被测设备的网络层吞吐量。

5 测试结果对比和分析

针对多款支持2×2 MIMO的4G LTE终端样机，在FDD Band 3频段分别进行了物理层和网络层的吞吐量测试。其中下行参考测量信道参照3GPP TS 36.521进行配置[6]，信道仿真器设置为SCME Umi城市微小区模型，测试方式采用降功率，摆放姿势为Portrait 45。测量结果及对比如图4至图7所示。

由图4中样机1和图5中样机2的数据显示，网络层吞吐量相比物理层均存在一定差距，两者的下降起始点基本一致，但网络层吞吐量要先于物理层开始下降，且下降更快，物理层在70%功率电平下，网络层数据性能已经很低劣。比如：样机1在RS-EPRE为-98 dBm/15 kHz时，物理层吞吐量测试结果约为55 Mb/s，但此時网络层吞吐量几乎已经下降至零。由此说明，传统的MIMO OTA物理层吞吐量测试结果并不能很好地匹配数据业务表现，与用户体验有明显差异。

图6和图7分别是三款样机的物理层和网络层吞吐量测试结果，比较可知，按照物理层和网络层吞吐量排序，不同样机前后次序可能不同。如图6，样机A在物理层测试时，吞吐量性能最优，同时样机B也明显好于样机C。但图7显示，在网络层测试中，样机A在大部分情况下性能最差，而样机B和样机C的吞吐量曲线出现交叉，这说明用户的业务体验性会与物理层吞吐量测试结果出现不一致。

6 结束语

多天线设备主要以支持数据应用为主，所以需要更贴近用户体验的性能测试方案。本文从多天线传输模式和MIMO OTA实现方式等方面介绍了网络层吞吐量测试的原理和方法，并以工作层次、测试目的和影响对象等角度论述了物理层和网络层吞吐量测试的差异。通过实际实验的对比和分析表明，网络层吞吐量测试作为基于用户体验的MIMO OTA能力扩展是必要的。但文中所做的实验仅对样机在一个频段一种制式下的一个摆放位置经历一种类型的信道衰落进行了测试，想要全面地、准确地评估多天线设备的整体性能，需要系统的、完整的评估方案，这将是下一步研究的重点。

参考文献：

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[10] 郭琳，高攸纲，安旭东. 多天线暗室信道验证测量研究[J]. 电波科学学报， 2014，29（5）： 957-963.