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把真实无线环境带进实验室-SR5500M

作者:时间:2010-09-04来源:网络收藏

1 真实无线环境简介

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/260808.htm

传统的实验室都是采用线缆连接,采用协议定义好的标准模型进行一系列的来验证和估计接收机算法在外场可能的表现。它忽略了两个重要的问题。

(1)线缆连接的测试没有测试到接收机的天馈部分。而真实UE在网络中信号是先经过,馈线再进入接收模块的。因此,必须要有一种手段能够在的情况下把终端和天馈一起进行测试。

(2)传统的测试是采用标准的信道模型,标准信道模型的确描述了几大类的外场情况,但归根结底它是一种建模后的模型。在真实性上,它无法和真实的路测结果进行一一匹配。因此,需要有一种手段能在情况下在外场收集信道数据,并且能在实验室系统进行回放,从而得到类似于在实验室完成虚拟路测的能力。

-是解决问题(1)的测试手段,而虚拟路测是解决问题(2)的测试手段。下面我们来着重介绍思博伦关于对这两种测试手段的解决方案。

2 Virtual Drive Test (虚拟路测)

最真实的场景测试是在现网中进行路测。那何为虚拟路测呢?

虚拟路测是能够重复地产生真实无线环境的信道统计规律和时变特性,并且能使用多通道来实现真实网络中的多小区信道环境从而产生小区重选或者切换的真实场景的技术。它的目标是设计一套能从外场抓取的无线数据,并把它转换到信道仿真设备进行外场数据回放的系统。

虚拟路测技术的优点是测试的可重复性,减少路测时间以节省测试费用和提高测试效率,同时也可以对一些不方便带到外场(如因为公司政策,或接收机的尺寸,或者外场环境易变性不适合做对比测试等)的设备在实验室完成测试。

整个虚拟路测的过程如图1所示。

图1 虚拟路测过程

步骤1:使用如扫频仪,UE和GPS等设备在外场抓取无线数据,使用记录工具如TEMS,PCTEL,Accuver,Agilent等软件保存原始路测数据,数据中可以包含多小区的数据。

步骤2:使用一个对原始数据的分析和转换工具输出需要的无线环境及多径信道参数,如接受功率、载噪比、多径的数目、时延、相对衰落等。

步骤3:把输出的信道参数映射到无线信道仿真器的各个通道,应用多径模型,增加噪声把路测导出的数据在实验室平台中进行回放。回放后的测试结果和实际的路测结果也可以做相互的验证和对比。

实验室系统描述参见图2。外场无线环境的参数在信道仿真器中被回放。

图2 信道回放实验室系统配置

思博伦SR5500M信道仿真器是世界上最通用的信道仿真器。它参与了所有无线通信技术的发展演进和部署的测试过程,如cdma2000,EV-DO,GSM,FOMA,WCDMA,HSPA,现在开始支持3G的技术如LTE,WiMAX,并且它能把真实的无线环境带入到实验室。SR5500的测试能力如图3所示,它内置了实时引擎和回放引擎两种引擎,来很好地辅助实现虚拟路测。

图3 SR5500测试特性和能力

SR5500是业界标准的信道仿真器。它除了能完成标准规定的信道模型测试之外,还能够更进一步的对多径信道参数进行动态控制从而更接近于真实网络的无线场景。SR5500可被动态改变的多径参数参见表1,表2。

表1 经典信道模型的动态参数

表2 地理信道模型的动态参数

对于以上动态能力中,动态相关性矩阵和动态地理信道模型参数是SR5500M独一无二的功能(见图4)。

图4 SR5500独一无二的动态能力

除了上面介绍的虚拟路测概念之外,由于SR5500支持导入数据为EXCEL格式,它也提供了一种用户自定义动态测试场景的能力。如果你能想像出一种可能的、极端的外场场景,并且能够通过一些数学的方式使用基于时间的变化公式来描述它,你完全可以在实验室使用SR5500测试平台来把你希望的无线场景进行创建。你所需要做的工作就是在EXCEL里进行公示创建,以及进行EXCEL单元格的拷贝复制等操作即可完成你的目的,具体参见图5。

图5 用户自定义的外场无线场景

下面是对SR5500对虚拟路测支持的一个回顾:

●有效使用SR5500的动态实时引擎可以在实验室测试平台上可靠地重现不同的场景:提供动态相关性矩阵的能力,支持所有通道的时间同步特性并行进行多通道的信道仿真,提供模块化的能力使得系统可被平滑地扩展。

●SR5500可以有效地在实验室对一个外场的虚拟环境进行回放。

●SR5500实时的DEE引擎提供了需要的测试能力对所有现有的单SISO和多MIMO技术的信道参数进行回放 (GSM,WCDMA,WiMAX,LTE等)。

●SR5500虚拟路测能力使得使用者可以在实验室对在外场收集的路测数据以最快10ms的间隔进行回放。

●虽然SR5500不能完全代替真实的外场测试,但它对于在真实环境下进行对比测试以及对现场的测试问题进行故障定位提供了一种有效的补充办法。

3 MIMO 空口测试

许多实验室测试系统都是用传导测试,这意味着所有的射频信号都是通过线缆连接进行。在这种方式下,信号传播没有经过终端的天馈部分,实验室测试和真实网络相比仍然有不够真实的地方。由于天线波瓣图,UE的位置和朝向都会影响MIMO的性能,所以MIMO在空口(Over the Air)方式下进行测试就显得特别必要。目前,有很多对MIMO-方面的研究,实验室的MIMO-OTA解决方案也有几种不同的提案。第1种是使用相位偏移的正弦和方案(见表3)。第2种是反射暗室方案(见表4)。第3种是虚拟MIMO-OTA方案:使用线缆连接进行测试,但导入已知的天线方向性信息(见表5)。第4种是信道仿真器加暗室的方案(见表6)。

表3 相位偏移的正弦和方案



表4 反射暗室方案



表5 虚拟MIMO-OTA方案



表6 信道仿真器加暗室的方案

本文主要讨论的是思博伦对于第4种MIMO-OTA贡献的解决方案。在MIMO-OTA中,地理信道模型通常被用来进行信道建模,因为它包含宽带无线通信技术必要的空间和时间方面的多径衰落特性。这些无线信道由不同的信号分量组成,它们和暗室一起工作就产生了OTA的测试场景。这其中包含窄角度扩展的多径信号(从散射体过来的信号),它们被给定了入射角和时延。多条径组成了一个有时延分布的频选通道。为了实现评估MIMO-OTA技术的目的,COST2100标准组织选择了SCME (Extended Spatial Channel Model) 信道模型作为研究和分析的对象。

思博伦在3GPP TSG组的会议中提出了3-Component 模型用于MIMO-OTA测试。这个3-Component模型提案减少了暗室的复杂度,它在暗室中只需要布置6个天线的位置,即可实现应用不同的信道模型进行MIMO-OTA的测试,它包含:

●4 条被精确定义的SCME 35? 窄角度扩展径,每条径有不同的入射角。

●许多宽角度扩展径通过4,5,6三根天线分布,产生一些较弱的信号。

●天线可以是单极化或者双极化天线,可以导入预先定义的基站元素的相关性。

基于此方案,使用有限的天线数目加上预先衰落的不同时延的信号进入不同天线,我们可以实现很多不同的空间信道衰落情况。可以预计,通过此方案,在考虑实际的简化暗室OTA测试设计的同时,它仍能给出一系列信道模型下具有实际意义的OTA测试结果。

如图6所示,需要产生依其定义的信号来完成OTA测试。然而,根本不需要使用20个独立的天线组成来产生这样分布的一个信号。通过定义不同的入射角和相对功率,可以大大减少信号组成,依然能获得通过20条35? 角度扩展内子径最终效果非常接近的办法。图6中显示的就是使用3-Component方法(其实不管分量的数目多少,通过时延的分布,功率的调整,总能得到尽量接近的特定方向角的信道条件来实现OTA的测试)。

图6 3-Component Power Weighted Rayleigh Faded Signal

图7阐述了怎么把多径信号映射到不同天线输出,然后应用于OTA测试的过程。为了仿真一个特定方向角扩展的场景,OTA天线在暗室中以54.49? 的间隔分布,6根天线大致完成了整个圆圈的覆盖。被预先衰落的信号分量然后被输入到各个天线口,每3根天线被组合,产生不同时延的多径分量——而这对应了 SCM信道模型中的不同径都有分量是从同一根天线发出来的。

图7 把多径映射到天线

在这个例子中,由于对称的关系,多径的平均入射角是3天线组的中间一根天线的入射角。使用有限数目的天线(每两根天线之间夹角为54.49?),总共有4个入射角方向的信号可以被量化(见图8)。如果放入更多的天线,则可以得到更多入射角方向的信号,当然在保证测试结果的前提下,天线数当然是越小越好。该实现从每根天线都有信道仿真后的信号分量发出,而且在入射方向都加入了单极化或双极化或交叉极化的天线模型。

图8 6天线配置的实现

图9描述了思博伦3-Component MIMO-OTA测试解决方案的设备及连线情况。

图9 思博伦3-Component MIMO-OTA测试解决方案

思博伦的3-Component提案和理想的仿真如20正弦情况相比,根据我们的仿真结果来看,3-Component和理想情况非常接近。下面是一些分析结果(见图10,11,12,13,14,15)。

图10 Matching the Correlation with 3 Signal Components

图11 Phase Characteristics using 3 Signal Components

图12 Sum-of-Sinusoids Signal Envelope CDF

图13 Signal Autocorrelation for Sum-of-Sinusiods

图14 Signal Envelope CDF for Pre-faded Sub-path Combinations

图15 Signal Autocorrelation for Pre-faded Sub-path Combinations

利用思博伦的这个提案,设计同时满足COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA测试解决方案是可行的。通过选择天线的数目和位置,选择合适的空间信道场景,在同一个暗室中,可以建造同时兼容COST2100和CTIA要求的MIMO-OTA测试规范。当然,满足两者要求的暗室需要另外讨论。

基于以上讨论,思博伦认为MIMO-OTA技术:

●不同的MIMO-OTA技术有不同的优缺点。
●对于MIMO终端的真实性能(真实空口测试)是MIMO-OTA测试的基本目标。
●可重复性、可控制性和真实外场测试结果更接近是主要的考虑目标。
●思博伦提案了3-Component模型可以精确地匹配窄角度扩展并很好地匹配空间信道模型SCME进行测试。
●常用的N-component 模型可以仿真任意入射角,同时也不会牺牲精确度。



关键词: MIMO 天线 OTA 测试

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