技术背景

实际上,波束赋形技术本身,并不是一个新鲜的概念。这个概念早已经在雷达、航空航天以及太阳能系统中得到了广泛的应用。从本质上,波束赋形是一种多天线技术,通过对每个天线的发送信号在幅度和相位上进行加权,从而使得各天线进行相长相干或是相干相消,以使发送的信号具有空间选择性。

无线通信技术从 2G向 3G、4G、 5G 稳步演进,对系统容量和用户体验的需求不断提升。LTE系统为了提高单用户峰值数据速率并提升小区边缘的性能的要求,采用了多天线波束赋形技术可以提高增益、改进信号质量、扩大覆盖范围和减少干扰。 LTE 定义了多种下行链路传输模式,特别受关注的是传输模式 7、8 和 9。LTE 第 8 版推出了支持单流波束赋形的 TM7。第 9 版增加了支持双流波束赋形的TM8(例如支持波束赋形的 2x2 MIMO),LTE-Advanced ( 第 10 版 )针对下行链路推出了新的多层传输模式 — 传输模式 9 (TM9) — 多达8 个空间流和天线的 MIMO,以实现高达 1Gbps 的峰值数据速率。

技术继续向5G演进过程中,为了进一步提升系统容量,提高峰值速率和频谱效率,改善小区用户一致性体验。 Massive MIMO技术被提了出来,并被广泛认为是最具前景的5G技术之一。Massive MIMO基站通常配置数量非常大(通常几十到几百根, 是现有4G基站天线数量的1-2个数量级以上) 的天线,可以通过波束赋型在同一个时频资源上同时服务若干个用户。

波束赋形技术可以在天线阵列中控制信号的接收或发送方向。通常,从两个或多个空间分离的发射点发送相同的信号,利用相位相干和相消原理,即可观察到干扰方向图。发射波束赋形就是利用这种干扰方向图进行工作的。相同的原理也可以应用到波束赋形信号的接收过程。

问题及挑战

MIMO/Massive MIMO波束赋形的使用带来了一些特殊的测试挑战,主要测试挑战是如何精确地验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号性能。这对于验证基站射频天线校准精度、基带编码波束赋形加权算法正确性、在射频天线上的 MIMO 多流EVM 结果来讲十分重要。

从基站开发的角度来看,工程师如何验证用于生成波束赋形加权值的基站基带接收/发射算法是否正确实施?工程师如何精确地验证射频天线上观测的基站校准性能?由于波束赋形结合了空间多路复用技术,研发人员必须对在射频天线处观测到的每个 MIMO 流的 EVM 性能进行验证。

另外,未来采用毫米波与波束赋型结合的基站,很有可能无法直接从射频接口将信号耦合出来,只能采用连接天线阵列OTA的方法对基站进行测试,这些测试内容可能包括天线阵列的方向图,波束赋型峰值发射功率、波束赋形整体杂散性能、吞吐率、动态波束控制,多流波束赋型等等。对Massive MIMO OTA方法的测试内容和测试规范如何定义,目前仍在激烈的讨论中。

波束赋形性能测试

无论是5G Massive MIMO,3D-MIMO/FD-MIMO、LTE/LTE-A的TM7/8/9/CoMP、802.11ac,对波束赋型性能有严格测试要求。由于TDD对于5G Massive MIMO、3D-MIMO系统设计具有天然的优势,这里以TD-LTE的波束赋型测试为例,向读者介绍波束赋型性能测试需要考虑的问题以及业内主流的测试方法,其测试方法和经验可以扩展到当前前沿的Massive MIMO、3D MIMO波束赋形测试。

TD-LTE 的 eNB 端,无论是实现单流波束赋型还是双流波束赋形,几乎无一例外地采用了 8 天线技术。在信号生成到发射的流程中,3GPP标准对此都做了严格的规定,而对于波束赋形部分,标准中并未强制规定采用何种加权矩阵和算法,因此各个厂商在具体的实现方法上不尽相同,所以对测试提出了一定的要求和挑战。

目前大多数的厂商采用了如下图所示的测试方法:经过校准的 8 根天线上的射频信号通过一个配置为 8x2 MIMO 的信道仿真器,将两路输出信号发送至 UE 终端,UE 根据信道条件和自身测量结果,会将对信道的反馈信息 ( 如 CQI,RI 等 ) 再通过另外一台配置为 2x8 MIMO 的信道仿真器将 8 路信号回传至 eNB 的 8 根接收天线。最终,双流波束赋形的效果将从 UE 终端的吞吐率结果得以验证。

201606 MRF Tech S2 F1  图1:典型的TD-LTE 8天线双流波束赋型测试系统

在研发早期阶段,进行半实物仿真时定位分析问题。此时测试系统搭建上则更为简单,直接将 8 根射频线缆送入 8 通道M9391A 即可。

对于 eNB 端测试而言,上述测试方法有如下几个疑问需要进一步解决 :

  1. 赋形效果的好坏只是通过唯一的吞吐率结果给出,如果 UE 测得的吞吐率结果不符合预期,如何定位问题所在?
  2. eNB 端的 BBU 算法工程师可以从基带数据绘出预期的波束赋形效果图,而信号一旦经过 RRU 之后,如何从空口直接观测到实际赋形效果 ? 如何验证每根天线上的加权系数是否符合预期,并且验证 RRU 端的校准过程准确无误? 3)如何有效测得每个端口(PORT)的实际工作状态,包括 EVM, 星座图,RB 分配情况,DCI 解码信息,CRC 检验结果等。
  3. 当出现测试结果与预期结果不相吻合时,如何利用第三方工具定位问题出在 eNB 端的实现上还是信道仿真器的配置上?

基站研发和测试工程师必须能够精确地验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号,正确地使用支持波束赋形技术的精确分析解决方案。整套系统的解决方案还必须能够正确测量包含了全部射频电缆和连接器等整个测试环境的被测波束赋形结果。

因此,支持相位相参的多通道信号分析仪和灵活的测量应用软件,在波束赋形信号验证和显示射频天线阵列的波束赋形信号等方面起到不可估量的作用。

Keysight M9391A PXIe模块化多通道信号分析仪、89600 VSA 矢量信号分析软件及其测量应用软件提供出色的功能组合。M9391A 可以对下一代天线、基站和用户设备执行全面的符合标准的分析。与 89600 VSA 矢量信号分析软件结合使用,借助一台测试仪表,可以在保证相位相干的前提下,同时分析多达 8 路的射频信号。M9391A 可与适合的射频功分器和衰减器一起轻松集成到典型的 TD-LTE 基站测试设置中,验证 TM7 和 TM8 模式中的下行链路波束赋形信号的性能(图 1)。凭借这些功能,M9391A 和 89600 VSA 成为多天线波束赋形测量的最优选择。为便于评估校准结果,89600 VSA 提供一个适用于 M9391A 的“校准向导”程序。校准向导可借助 Keysight 信号源和高质量双路射频功分器,用于校正 M9391A 射频输入通道间的幅度和相位延迟变化。信号发生器生成一个宽带校准参考信号输出,与双路功分器的输入连接。这种延迟变化来自应用在射频天线校准参考点和 M9391A 射频输入端口之间的射频电缆、功分器和转接头引起的幅度和相位延迟差异,以及M9391A 的多通道接收机之间的细微性能差异。

使用图 1 中的测试设置,可对 TM7 和 TM8 模式中的 TD-LTE 波束赋形信号执行一系列验证测量。首先,查看从全部 8 个天线单元下捕获的时间同步的射频信号。通过这些信号,测试工程师可以在执行更高级的解调测量前,快速识别基本的射频功率或计时性能减损。此外,89600 VSA 频谱图功能可用于深入分析信号的频域特性。它可以分析每个子帧和每个符号,显示特定用户的资源块调度以及公共控制信道和信号。在影响信号正常解调的射频或资源调度的故障诊断中,频谱图能够发挥出色的作用。89600 VSA 的 TD-LTE 测量应用软件提供了广泛的解调结果,帮助工程师验证和显示下行链路 MIMO 波束赋形信号。这些包括 IQ 星座图、EVM 结果指标、探测到的资源分配、特定用户的参考信号(RS)加权值、特定小区的 RS 加权值和减损值,以及特定用户设备(UE)和公共广播天线波束方向图。89600 VSA 中的 MIMO 信息轨迹记录了所有 8 个天线单元中特定小区 RS(CRS)的结果和减损值,包括 CRS 功率、EVM、计时、相位、符号时钟误差和频率误差,可让您验证公共广播波束方向图在每个天线单元的加权值。

89600 VSA 的 TD-LTE 测量应用软件得到的解调结果对于显示下行链路 MIMO 波束赋形信号而言非常重要。解调后的 IQ 星座图按照空间多路复用层进行显示,并可快速显示信号调制质量(图 3)。89600 VSA 还显示与每个天线组相关的合成波束方向图轨迹,快速地对波束赋形、基带编码和射频校准质量进行直观检查。任何异常信号可以借助 UE-RS 测量结果仔细定位问题所在。

您可以同时查看全部 8 个天线单元的信道频率、幅度和相位响应轨迹,以及 89600 VSA 通用误差轨迹。轨迹有助于理解和对比每个发射天线的公共 CRS 幅度和相位稳定性性能随时间的变化。

201606 MRF Tech S2 F2  图2 波束赋型性能测试结果(由于版面原因此处未显示全部结果)

波束赋形测试系统的校准

当测试波束赋形传输系统时,校准的重要性不容忽视。必须谨慎地校正测试设置,以实现精确测量。以典型的校准测试系统包含射频信号发生器——通过单路或四路射频功分器网络连接 M9391A 的 个射频输入(由89600 VSA 软件控制)。注意:校准质量取决于功分器以及功分器和测试系统测量电缆之间的连接器的质量。

89600 VSA 的校正向导可直接控制信号源和 89600VSA。它指导 信号源生成指定频带的宽带调制校准信号,通过 89600 VSA 测量相对于参考通道 1 的所有射频输入通道频率响应结果。由此,校正向导可以测量和表征 M9391A 每个射频输入通道在射频载波测量频率和指定频带上的幅度和相位响应变化(包括测量电缆、功分器和适配器)。每个通道上已表征的幅度和相位响应会加载到 89600 VSA 固定均衡上,以便补偿和校正所有的 89600VSA 结果,以均衡通道间幅度和相位响应误差变化。未校正的相对通道幅度响应可能改变 -0.95 dB,而未校正的通道间相对相位变化可能在 +/-180 度之间。通过应用 89600 VSA 多通道校正,最大幅度响应变化已经降至 -0.02 dB,最大相位响应变化降至 0.1 度以下。

总结:

MIMO/Massive MIMO波束赋形的使用带来了一些测试挑战,主要测试挑战是如何精确地验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号性能。这对于验证基站射频天线校准精度、基带编码波束赋形加权算法正确性、在射频天线上的 MIMO 多流EVM 结果来讲十分重要。Keysight Technologies帮助基站研发和测试工程师能够精确地验证和显示物理射频天线阵列的波束赋形信号,正确地使用支持波束赋形技术的精确分析解决方案。Keysight Technologies整套系统的解决方案能够正确测量包含了全部射频电缆和连接器等整个测试环境的被测波束赋形结果。

同时Keysight Technologies在密切跟踪Massive MIMO OTA测试的标准化进展,并已在OTA测试的领域提供初步方案帮助用户利用Keysight Technologies精密可靠的测试测量工具加速Massive MIMO 基站研发和测试进程。

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