王瑋 羅德與施瓦茨 （中國(guó)）科技有限公司

羅德與施瓦茨技術(shù)專(zhuān)欄

LTE終端的多天線測(cè)試

王瑋 羅德與施瓦茨 （中國(guó)）科技有限公司

編者按：純粹的天線測(cè)試以及純粹的接收機(jī)的測(cè)試，實(shí)際用戶(hù)在使用的時(shí)候，是在兩者存在的情況下使用的；而在測(cè)試的時(shí)候，這兩個(gè)方面的測(cè)試含義卻截然不同，所使用的測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試搭建也有很大的區(qū)別。單純的MIMO接收機(jī)的測(cè)試是在傳導(dǎo)連接、基站信號(hào)衰落的條件下進(jìn)行測(cè)試；而單純的MIMO天線測(cè)試則是在輻射、無(wú)衰落的條件下在無(wú)回波暗室中完成的。羅德與施瓦茨（中國(guó)）科技有限公司王瑋所撰《LTE終端的多天線測(cè)試》一文介紹了LTE多天線測(cè)試的一些基本概念，以及不同的測(cè)試目的所需要的不同的測(cè)試環(huán)境的搭建，包括針對(duì)天線的測(cè)試以及針對(duì)接收機(jī)的測(cè)試。由于多天線應(yīng)用的引入，測(cè)試的復(fù)雜程度也大大增加，無(wú)論是針對(duì)接收機(jī)的測(cè)試還是天線本身的測(cè)試。

1 LTE系統(tǒng)的多天線模式

1.1 TransmissionMode

LTE的R8規(guī)范給下行共享信道PDSCH定義了7種發(fā)射模式；R9增加TM8（雙流波束賦形）；R10增強(qiáng)了TM8，引入了TM9（最高8Layer波束賦形）。具體參考3GPP TS 36.213，Table 7.1-5:PDCCH and PDSCH ConfiguredbyC-RNTI（見(jiàn)表1）。本文將對(duì)表1中的部分信息進(jìn)行介紹。

Transmission Scheme of PDSCH Corresponding to PDCCH為本文要討論的部分重要內(nèi)容，因?yàn)榻刂沟絃TE的R9規(guī)范，LTE在上行只定義了單根天線發(fā)射，即只有主天線會(huì)發(fā)射上行信號(hào)，輔天線和主天線在下行方向上接收基站側(cè)的信號(hào)，而PDSCH主要承載業(yè)務(wù)，因此本文主要對(duì)PDSCH信道的多天線應(yīng)用進(jìn)行介紹。

LTE的TransmissionMode可以按照目的分類(lèi)，具體參見(jiàn)表2。

表2 LTE的TransmissionMode分類(lèi)

注意：由于接收分集的處理在終端側(cè)，基站側(cè)無(wú)需做任何改動(dòng)，因此PDSCH并沒(méi)有定義接收分集的發(fā)射模式，因?yàn)檫@種處理方式與基站無(wú)關(guān)。

除了要理解Transmission Scheme的含義以外，Table 7.1-5還涉及到幾個(gè)關(guān)鍵詞，即RNTI、DCI Format、Antenna Port，這些關(guān)鍵詞對(duì)于理解表格十分重要。

（1）RNTI

表1 Tanle7.1-5:PDCCHandPDSCHComfiguredbyC-RNTI

RNTI是終端的一種標(biāo)識(shí)，長(zhǎng)度為16bit的Binary信息，E-UTRAN用這16bit的信息來(lái)加擾PDCCH信道編碼過(guò)程中的CRC校驗(yàn)位，PDCCH的CRC長(zhǎng)度為16bit，RNTI要同CRC保持一致，這也是RNTI設(shè)計(jì)為16bit的原因。

LTE系統(tǒng)中的RNTI包括SI-RNTI、P-RNTI、RA-RNTI、C-RNTI、SPS-RNTI、TPC-RNTI等，終端的不同狀態(tài)決定了可能使用到什么樣的RNTI，如在隨機(jī)接入過(guò)程中，終端會(huì)被分配到RA-RNTI，進(jìn)一步使用該RA-RNTI發(fā)起RRC連接請(qǐng)求。在RRC連接狀態(tài)，UE會(huì)使用C-RNTI來(lái)解擾PDCCH的CRC來(lái)確認(rèn)相應(yīng)的PDCCH信息是否針對(duì)該UE，如果有的話，UE盲解PDCCH的內(nèi)容，即DCI來(lái)進(jìn)行上下行業(yè)務(wù)（PDSCH、PUSCH）的動(dòng)態(tài)調(diào)度。因此，Table 7.1-5的標(biāo)題“PDCCHandPDSCHConfiguredbyC-RNTI”，可以理解為“終端有下行數(shù)據(jù)需要接收”。

（2）DCIFormat

DCI就是PDCCH的內(nèi)容，具體分類(lèi)和功能如表3所示。

表3 DCI分類(lèi)和功能

實(shí)際上，終端是按照PDCCH中DCI的指示來(lái)解調(diào)下行的用戶(hù)數(shù)據(jù)。當(dāng)討論LTE下行多天線應(yīng)用時(shí)，涉及到的DCI就只有DCI1和DCI2兩種，這也是Table 7.1-5中DCI只有DCI1和DCI2兩種的原因。這兩個(gè)DCI分別用來(lái)調(diào)度1個(gè)CodeWord和2個(gè)CodeWord的數(shù)據(jù)接收。

（3）AntennaPort

AntennaPort應(yīng)該是在LTE系統(tǒng)中最容易被誤解的概念之一，首先人們?nèi)菀讓ntennaPort誤解為物理上的發(fā)射天線。而實(shí)際上AntennaPort是一個(gè)邏輯概念，而非物理上的天線概念。其次，當(dāng)人們了解到這是一個(gè)邏輯概念的時(shí)候，就會(huì)查找規(guī)范中關(guān)于它的原始定義，AntennaPort定義在3GPPTS36.211中，規(guī)范中的定義如下：AnAntennaPortisDefinedSuchthattheChannel overWhich a Symbol on theAntenna Port is Conveyed Can be Inferred from the Channel over Which Another SymbolontheSameAntennaPortisConveyed。由于規(guī)范的描述問(wèn)題，即使是英語(yǔ)母語(yǔ)的人，看了上述定義之后也往往是一頭霧水。

本文不再分析規(guī)范中的定義，而直接給出結(jié)論：首先Antenna Port是經(jīng)歷相同信道過(guò)程的一類(lèi)信號(hào)，對(duì)于每一種信道過(guò)程LTE會(huì)定義一種Reference Signal（參考信號(hào)），而LTE對(duì)于下行不同的傳輸應(yīng)用定義了不同的Antenna Port，因此也引入了不同的參考信號(hào)，之間的關(guān)系如表4所示。

1.2 概述

表4 AntennaPort中幾種參考信號(hào)的關(guān)系

通過(guò)以上的概念介紹，可以理解LTE終端的發(fā)射模式為：當(dāng)終端在進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的時(shí)候，基站會(huì)給終端配置一個(gè)標(biāo)識(shí)，用以區(qū)別其它的終端，這個(gè)標(biāo)識(shí)即C-RNTI?；緯?huì)根據(jù)基站和終端的實(shí)際情況來(lái)確定使用哪種多天線模式進(jìn)行通信，如果是終端需要提高信噪比，保證可靠傳輸，改善覆蓋，則可以使用分集、波束賦形的方式來(lái)進(jìn)行傳輸。如果終端本身傳輸環(huán)境很好，需要提高傳輸速率的情況下，則可以使用開(kāi)環(huán)或者閉環(huán)空分復(fù)用，或雙流波束賦形的方式進(jìn)行傳輸。

終端需要盲解PDCCH中包含的DCI信息來(lái)協(xié)助下行PDSCH信道的解調(diào)。同時(shí)，對(duì)于基站不同的發(fā)射模式，由于信號(hào)會(huì)在信道中經(jīng)歷不同的過(guò)程，LTE將信道過(guò)程類(lèi)似的信號(hào)定義為一個(gè)天線端口（AntennaPort），并且定義了相應(yīng)的參考信號(hào)來(lái)輔助這類(lèi)信號(hào)的解調(diào)。例如，空分復(fù)用定義了最多4個(gè)天線端口，即AntennaPort0～3，單流波束賦形定義了一個(gè)天線端口，即Antenna5。

2 基于CMW500的多天線測(cè)試

當(dāng)筆者將本文題目寫(xiě)為“LTE終端的多天線測(cè)試”時(shí)，實(shí)際上是希望讀者能夠了解到題目包含了兩方面的含義，即純粹的天線測(cè)試以及純粹的接收機(jī)的測(cè)試，實(shí)際用戶(hù)在使用的時(shí)候，是在兩者都存在的情況下使用的；而在測(cè)試的時(shí)候，這兩個(gè)方面的測(cè)試含義卻截然不同，所使用的測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試搭建也有很大的區(qū)別。單純的MIMO接收機(jī)的測(cè)試是在傳導(dǎo)連接、基站信號(hào)衰落的條件下進(jìn)行測(cè)試的；而單純的MIMO天線測(cè)試是在輻射、無(wú)衰落的條件下在無(wú)回波暗室中完成的。

現(xiàn)實(shí)的MIMO應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，可以分為基站、信道、終端3個(gè)部分，其中終端又可以分為MIMO天線和MIMO接收機(jī)兩個(gè)部分。MIMO接收機(jī)部分的測(cè)試主要定義在3GPPTS36.521的第8、9章。測(cè)試項(xiàng)目定義了測(cè)試結(jié)果需要達(dá)到的門(mén)限，結(jié)果就是Pass或者Fail。而MIMO天線的部分主要是希望MIMO天線能夠盡可能不增強(qiáng)信號(hào)之間的相關(guān)性，在各種角度以及極化方向上都能給用戶(hù)提供很好的用戶(hù)體驗(yàn)。

圖1 現(xiàn)實(shí)MIMO應(yīng)用場(chǎng)景

傳統(tǒng)的2G/3G終端由于僅涉及收發(fā)各一根天線，因此整個(gè)終端的天線測(cè)試主要是TRP和TIS兩個(gè)指標(biāo)，目的是希望終端的天線在各種角度以及極化方向下都保持相近的方向性，保證整個(gè)通信鏈路的正常通信。

而LTE則更復(fù)雜一些，由于LTE是純粹的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，不包含電路域的連接，因此整個(gè)天線測(cè)試的目標(biāo)除了TRP和TIS之外，還需要測(cè)量各個(gè)角度以及極化方向下的數(shù)據(jù)傳輸速率。

但無(wú)論是測(cè)試MIMO天線，還是測(cè)試MIMO接收機(jī)，其中的核心部分都是CMW500這個(gè)基站模擬器。本文希望通過(guò)概念介紹以及測(cè)試用例搭建來(lái)讓讀者對(duì)兩方面的測(cè)試都有初步的了解。

3 測(cè)試用例以及測(cè)試搭建

3.1 LTEMIMO接收機(jī)測(cè)試

基于CMW500的MIMO接收機(jī)測(cè)試可以測(cè)試LTE的多種發(fā)射模式，其中包括了分集（TM2：發(fā)射分集、TM1：接收分集）、空分復(fù)用（TM3：開(kāi)環(huán)空分復(fù)用、TM4：閉環(huán)空分復(fù)用、TM6：閉環(huán)空分復(fù)用—單層）和波束賦形（TM7：?jiǎn)瘟鞑ㄊx形、TM8：雙流波束賦形），還包括不同發(fā)射模式下的各種DCI下發(fā)。

CMW的發(fā)射模式不包括TM5（即多用戶(hù)MIMO），TM5通過(guò)將下行多個(gè)用戶(hù)配對(duì)為多個(gè)數(shù)據(jù)流，使得不同用戶(hù)復(fù)用空間自由度，而不再是作為兩個(gè)獨(dú)立的用戶(hù)占用不同的時(shí)間頻率資源，從而提升基站的下行吞吐量，因此更多是對(duì)于基站和多個(gè)終端的測(cè)試。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的試驗(yàn)介紹LTEMIMO接收機(jī)測(cè)試，測(cè)試來(lái)自3GPP TS 36.211，8.2.1.3.1 FDD PDSCH OpenLoopSpatialMultiplexing2×2。該測(cè)試的最小要求如表5所示。

EVA70描述了信道的衰落模型，其中EVA（ExtendedVehicleA）代表了不同的信號(hào)副本延遲以及衰落模型，70代表了終端多普勒頻移為70Hz，根據(jù)多普勒頻移和下行頻率可以計(jì)算出終端的運(yùn)動(dòng)速率。

CMW500內(nèi)置了3GPP標(biāo)準(zhǔn)的信道模型，因此可以直接在配置了內(nèi)置衰落選件的CMW500選擇衰落模型或者外接衰落模擬器（見(jiàn)圖2）。

其中，Correlation Matrix and Antenna Configura-tion=2×2 Low，這個(gè)參數(shù)可以參考TS36.521規(guī)范，Table B.2.3.2-1的描述，實(shí)際上代表了基站的發(fā)射天線和終端的接收天線不會(huì)附加額外的相關(guān)性。測(cè)試用例的搭建可以簡(jiǎn)化成如圖3所示模型。信噪比的要求可以在CMW500里面設(shè)置信道功率和AWGN來(lái)完成配置。測(cè)試的其它配置可以參考測(cè)試規(guī)范，該測(cè)試在傳導(dǎo)模式下使用CMW500和Fader即可，F(xiàn)ader可以是CMW500內(nèi)置的B510F衰落選件，也可以配置外置的衰落模擬器AMU200來(lái)完成。

表5 Tanle8.2.1.3.1.3-2：MinimumPerformanceLargeDelayCDD（FRC)

圖2 CMW500內(nèi)置3GPP標(biāo)準(zhǔn)的信道模型

3.2 LTE MIMO天線測(cè)試

LTE MIMO天線的測(cè)量除了2G、3G的測(cè)試項(xiàng)目TRP和TIS以外，由于LTE有更多的天線傳輸模式，因此LTE的MIMO天線測(cè)試還需要測(cè)量發(fā)射分集帶來(lái)的覆蓋的提升和空分復(fù)用帶來(lái)的速率的提升。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的圖示來(lái)說(shuō)明測(cè)試環(huán)境的搭建。

如圖4所示，TA1和TA2是兩個(gè)雙極化天線，用于測(cè)試不同的極化方向，其中兩個(gè)雙極化天線的位置可以相對(duì)變化以測(cè)量不同的方向到達(dá)角。

本文介紹了LTE多天線測(cè)試的一些基本概念，以及不同的測(cè)試目的所需要的不同的測(cè)試環(huán)境的搭建，包括針對(duì)天線的測(cè)試以及針對(duì)接收機(jī)的測(cè)試。由于多天線應(yīng)用的引入，測(cè)試的復(fù)雜程度也大大增加，無(wú)論是針對(duì)接收機(jī)的測(cè)試還是天線本身的測(cè)試。

圖3 測(cè)試用例的搭建模型

圖4 LTEMIMO天線測(cè)試環(huán)境的搭建