如何快速准确的仿真多天线环境

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引言
本文在介绍CATR联合CMCC进行的TD-LTE实验室测试的基础上，着重介绍复杂信道模型的模拟。思博伦新一代信道模拟器VR5-HD充分考虑了目前和未来的需求，支持所有TD-LTE，及LTE-A的测试，真实的模拟无线信道环境，使用方便，连接简单，重点介绍其对本次测试的支持情况。
TD-LTE多天线测试
1.1 MIMO and beamforming
MIMO，即多输入多输出，因为可以成倍的提高系统容量，成为LTE的指定技术之一。另一方面，TD-LTE具有天然的上下行信道对称性，可以利用多天线来实现beamforming，从而提高增益，降低干扰。事实上，在TDD的3G阶段，TD-SCDMA即充分利用上下行信道的对称性实现beamforming。TD-LTE创新的提出了双流beamforming，即MIMO+beamforming技术，同时实现提高容量和降低干扰提高增益，是TD-LTE的最显著的特点。
上下行信道对称性又叫信道互易性，在测试beamforming时，必须满足天线的互易性。
天线
TD-LTE基站有两种天线配置，一种是两天线，即2*2MIMO，该配置只使用MIMO技术，不使用beamforming技术，主要应用在室内及微蜂窝场景；另一种是8天线，即8*2MIMO，该配置将8天线分为两组，每组包括4天线，组内使用beamforming，组间使用MIMO发送双流。这就是双流beamforming。8天线配置是将来的主要方向，也是我们测试的主要内容。
8天线带来一个挑战，因为天线各天线平行放置，且有一定的间隔，使得天线的尺寸较大，不易于工程使用。所以从3G开始，都使用+-45°的双极化天线，尺寸约缩小了一半，大大增强了实际可用性。同时，双极化天线因为两组天线的相关性天然降低，有利于提高MIMO容量。


图1 TD-LTE应用的双极化8天线
CMCC还要求使用方向性天线，进一步提高天线覆盖的效率。
在模拟无线信道环境时，必须模拟天线的极化及方向性，否则造成信道模型及输出功率不正确。
多天线无线信道环境仿真
因为可控性、可重复性、可对比等特征，实验室评估测试越来越受到重视，有着实际外场测试不可替代的优点，成为在外场验证之前必不可少的关键一步。那么在实验室模拟真实的无线环境就成为一个课题，即如何在实验室真实、快速的仿真无线信道环境，从而在实验室构造完整的测试环境，验证网络设备或终端。
TD-LTE要求8通道的互易信道，对系统集成度提出了更高要求；多天线技术特有的信道模型均要求更优的信道模拟器的可靠性和真实性；同时由于测试复杂，周期长，希望使用方便，实时处理，实时仿真。
思博伦作为90年代即推出信道模拟器的工业标准，不仅提供经济的方案，最新一代高集成度信道模拟器提供了最领先且易用的方案。可实时模拟所有要求的信道模型，内置功率计，方便的GUI，简单的连接，从而快速准确的进行测试。
TD-LTE研发技术试验的要求
研发技术试验包括两类测试。一类是上行解调测试，主要是验证基站在指定的信道环境下接收机的解调性能，要求得到在不同吞吐量下的信噪比，对接收机性能做出评估和比对。


图2 上行解调测试结构图-SR5500M
另一类是双向测试，主要验证MIMO，MIMO加beamforming的在不同信道环境下双向测试，要求画出吞吐量与信噪比的曲线，对整体性能做出评估和比对。


图3 双向8*2测试结构图-VR5-HD
从以上测试要求可以看到，信道衰落环境仿真起着至关重要的作用，要求信道模型真实，噪声电平、输出功率等精确易控，设备可靠，同时因为环境复杂，要求信道模拟器连接尽量简单，操作方便，测试效率高等。
2.1 硬件基本要求
在上行解调的测试中，要求单向8通道的测试能力，无需外部设备或衰减器。
在双向测试中，要求双向8通道的测试能力，无需外部设备或衰减器，相位校准方便、精度高、校准周期尽量长等。
输入输出应具备实时功率计，并支持实时的脉冲模式测量以满足TD-LTE的要求，实时观察各端口功率。
仪表具有良好的可靠性，各端口具备过载功率保护措施，不易损坏。
仪表的维修和校准应该在本地，在出现异常情况能快速处理并恢复。
功能要求
支持所有信道模型：支持基于几何地理的SCME模型和IMT-A M.2135规定的信道模型。
信道模型必须是基于几何地理方法的，不能用基于相关矩阵的信道模型来近似。
支持天线极化和天线方向性的设置。
仪表的功率精确，保证输出的信噪比精确，对测试结果的评估至关重要。
仪表具备较高的动态范围，测试要求的信噪比及噪声功率需要覆盖非常宽的范围，要求仪表的动态范围尽可能大，这样保证可以满足最低和最高的功率要求，找到设备的临界点。
思博伦先进信道模拟解决方案
3.1 思博伦简介
思博伦通信的无线通信测试系列产品能够为2G、2.5G、3G、4G移动通信系统和WLAN/WiMAX系统提供目前最先进的和最精确的测试解决方案，它贯穿了产品的研发、系统性能测试、质量保证、生产测试、产品评估、设计验证、一致性测试及入网认证的整个过程。思博伦无线信道仿真器作为工业标准已有20年的历史，见下图的演变：


图4 思博伦无线信道仿真器系列

SR5500/SR5500M是使用最广泛的信道仿真器。 SR5500-M提供了对LTE/WIMAX等技术对于MIMO，SCME/IMT-A M.2135等空间信道模型等新技术的支持。SR5500M提供模块化、灵活的测试配置（单模块提供2个物理射频通道、4内部通道、96条径），既满足多个测试项目同时进行的需要，也能组合起来满足大规模测试的需要。
思博伦新一代的信道模拟器产品平台VR5-HD，充分考虑到B3G, 4G的测试需求，在多个方面的指标上进行了大的提升。比如更易于使用和场景创建（天然双向连接和GUI设计的配合，触摸屏和外部电脑控制等），支持更高的带宽(100M)，更广的频段覆盖(400M~6G)，在一台设备里支持更多的信道数目（最大到8*4MIMO，同时也继承了SR5500M的模块化和可级联设计思路），支持未来的LTE-A的测试需求（如载波聚合）等。
新一代平台：VR5-HD
VR5-HD可以支持各种多通道配置的MIMO及波束成型测试。支持所有的3GPP一致性测试信道模型，支持基于几何地理的信道模型，如SCME，IMT-A M.2135等。并可自定义任何信道模型。
和SR5500相同，VR5-HD为实时信道模拟器，实时信道模拟意味着具备超长的随机序列，最真实的仿真真实场景，同时实时修改参数，给测试带来了极大方便，无需重新编辑、编译、修改等繁琐、易出错的过程，只需在GUI中修改、编辑参数，回车即可完成所有测试。
VR5-HD的主控软件界面如下图，可设置：
接收机和发射机连线拓扑图
双向连接时灵和配置端口，方便连接
多径环境的所有参数
输出功率及输出的载噪比等


图5 VR5-HD图形用户界面
VR5-HD的基本测试能力
对于单台VR5-HD，可以支持以下各种配置情况下的MIMO测试：


图6 VR5-HD灵活的MIMO配置
用思博伦仪表完成测试
实时信道模拟器，真实的仿真信道场景；实时修改参数，测试效率大为提高；强大GUI，精确的信号和噪声功率，可信的测试结果；连接简单，端口灵活配置，测试简单。以上特点使VR5-HD非常强大的支持无线信道仿真的需要，特别是对于TD-LTE的多天线测试，最多可达16个射频通道，端口多，连接复杂，必须要有简单易用的连接方式，VR5-HD特有的8通道内置双工器无需外接任何器件即可完成双向8通道的连接，非常简单。
3.3.1上行解调测试
上行测试需要使用单向的1*8环境，支持SCME、IMTA信道模型，基站设置为交叉极化，终端设置为垂直极化，天线具有方向性。
在每种信道模型下，通过调整信噪比获得不同的吞吐量。
可方便的遍历终端速度、信噪比设置等。
上行解调测试可用SR5500M或VR5，下图是SR5500M的例子：


图7 上行解调测试连接
信道模型为实时的SCME或IMTA M.2135模型：


图8 SCME信道模型实时配置
3.3.2双向8*2测试
双向测试需要使用双向的8*2环境，支持SCME、IMTA信道模型，基站设置为交叉极化，终端设置为垂直极化，天线具有方向性。
双向测试必须保证上下行信道的互易性。所以开始测试前，需要执行相位校准。并保证相位校准的精度。相位校准的间隔应该尽量长。VR5-HD的校准精度在20M的带宽里达到5°，请校准周期可达到1周。大大提高了测试效率。
VR5内置双工器，无需添加然后外部器件即可完成双向测试：


图9 双向8*2连接


图10 双向8*2配置
小结
TD-LTE因为更多的天线，以及因为beamforming而必须同时进行上下行的双向测试，给实验室的信道模拟带来了较大的挑战。同时TD-LTE需要全新的业界最前沿的基于几何地理的信道模型，给信道模拟器的模拟带来了新的课题。
如何准确、方便的完成如此高复杂度的仿真和测试？思博伦优秀的工程师给出了答案，基于长达20年的积累，推出了新一代信道模拟器VR5-HD。通过本文的介绍，我们可以了解到本次测试和未来的要求以及思博伦的解决方案。