写在前面：为了满足无线通讯系统对更高数据率的需求，新的无线技术都在移动终端采用了多天线技术，如LTE（长期演进项目）、LTE-Advanced（高级长期演进项目）和移动WiMAX（全球微波互联接入）。从广义上讲，MIMO（多输入多输出）技术涵盖了所有的多天线技术，例如SM（空间多路技术）、BF（波束赋形）和空间分集。MIMO技术在不增加额外的带宽和发射功率的前提下，显著地提高了数据吞吐量、服务质量（QoS）和小区的覆盖范围。MIMO技术更加充分地利用了无线传输信道的特征以实现通讯性能的提升，因此，MIMO设备就更加适用于并且依赖于RF（射频）环境。行业呼唤一种先进的测试方法，能够可重复地创建准确的无线传输环境。

在MIMO系统中，空间相关性是一个非常重要的参数，它包含了天线以及传输信道两者的特性。事实上，已知信道模型未知天线特性是无法得到相关性的，同样地，已知天线特性未知信道模型也无法得到相关性。因此，必须同时考虑天线和传输信道两者的特性才可以测试多天线终端。

要了解MIMO设备的端到端的接收性能，就需要进行OTA（空口）测试。由于多天线系统的复杂性，一种灵活、快速精准的测试方案在天线设计周期和最终产品验证周期中创造出至关重要的价值，最终将直接影响到产品上市时间。

迄今为止，有三种不同的MIMO测试方案正在被无线行业中的3GPP（第三代合作项目），COST2100（欧洲科学和技术合作）和CTIA（移动通信和因特网协会）所研究及讨论。

a) Anechoic chamber (multi-probe, SFE)，基于吸波暗室的测试方案或者称之为空间衰落模拟(SFE)的测试方案。如图1a所示，将射频信道模拟器连接到一个圆环探头阵列，即多探头测试技术，从而在被测物位置可重复地模拟产生复杂的多径衰落的无线环境。

b) Reverberation chamber，混响室测试方案采用一个独立的混响室或者是一个连接信道模拟器的混响室。混响室的目的在于在被测物（DUT）周围产生一个统计上的均匀功率分布，而天线和信道模拟器可用于生成所需的延迟特性(如图1b)。混响室测试方案受限于有限的不同衰落环境的模拟能力，所以只能对终端提供有限的性能评估。

c) Reverberation chamber多阶段测试方案，主要包含两个测试阶段。第一阶段，在各向同性的环境下，使用传统的吸波暗室为基础的测试系统和一个综测仪测量复杂的有源天线阵列；第二阶段，通过下述两种手段把天线阵列的信息与信道模型结合起来：1)使用信道模拟器进行传导测试（图1c）,或2）利用测试地得到的天线阵列信息通过理论计算得到一个理论上的信道容量性能。因此，在这一点上，多阶段方法只能获得有限的数据，还需要进行进一步的研究以得到准确的性能指标。

图1 标准制定机构提出的三种不同的MIMO测试方法

SISO （单输入单输出）测试范畴

多探头技术在无线行业内已经取得了成功和信任，并且被广泛地应用在现有的SISO的测试范畴内作为精确快速的单天线或分集设备的OTA（空口）测试方案。在SISO测试中，探头是顺序工作的，并依次一个一个地被选定。3维阵列测量，无论是测辐射功率或是测接收灵敏度都是在各向同性的环境中获得的（均匀信道模型）。随后3维阵列的数据被集成进来以获得总辐射功率（TRP）和总各向同性接收灵敏度（TIS）。这些品质因子（FoM）均被使用于描述终端的系统级性能。

基于上文所述，MIMO系统性能强依赖于天线性能和信道环境两者，因此SISO OTA（单输入单输出空口）的测试范畴对于多天线终端的端到端性能测试并不合适。

                                                           MIMO测试范畴

相对于SISO OTA（单输入单输出空口）的多探头的测试场，在MIMO OTA（多输入多输出空口）中，信号是同时从设备周围的各个方向接收到的。这种特殊的设置，配合信道模拟器，使得在被测设备位置得以实现复杂的空-时传播环境的模拟[2-3]。SATIMO StarMIMO系统，加上Elektrobit公司的EB Propsim®F8信道仿真仪，给了MIMO OTA测试一个清楚的解答。

在吸波暗室进行的MIMO OTA测试提供了无需在测试步骤中连接外接电缆即可测试移动终端真实性能的可能性。MIMO OTA测试可以评估最终产品的终端用户体验，例如数据吞吐量，在真实的 无线信道环境下，其性能会随着环境的变化而发生巨大的变化。移动终端设计中的所有重要部件（如天线，射频前端，基带处理）都可以立即进行测试，同时也能够对于不同成品的移动终端的性能进行比较。

1.空间衰落模拟技术

由于无线信道在MIMO性能中起着关键的作用，无线信道模拟器是MIMO OTA（多输入多输出空口）测试系统中的重要组成部分。如图2中所述，一个来自发射机或基站模拟器产生的测试信号通过无线信道模拟器，该无线信道模拟器根据预先定义的信道模型来模拟无线信道。随后该信号在模拟器内部进行分离，并分配到暗室内的各个探头，各自独立地辐射进入暗室。其结果是辐射的多路信号在暗室中心空间合成，并在被测设备周围产生所需要的无线信道环境。

采用先进的无线信道模拟器，例如EB公司的Propsim® F8，便可以在暗室内还原真实生活环境。最典型的模拟参数包括路径损耗、多径衰落、时延扩展、多普勒扩展、极化，当然还有空间参数例如到达角（AoA）和角度展宽（AS）。

为了从MIMO OTA测试中得到有价值的结果，无线信道模拟器必须具有卓越的射频性能。它的误差矢量幅度（EVM）和内部噪音电平必须非常低，以便最大程度减少影响测量结果的误差。

而且，为了在多次测量中得到一致的测试结果，衰落过程必须是可重复的。这点在不同被测物的基准测试时是非常重要的。EB Propsim® F8由于有卓越的射频性能将这些风险最小化 ， 而信道模型的可重复性为100%。

                                                 图2 暗室方案MIMO OTA测试

基于几何学的随机信道模型

用于MIMO OTA测试的信道模型是基于几何学的随机信道模型（GSCM），在该模型中无线信道由下列参数定义：

• 发射天线的位置和阵列，

• 传播特性（延迟、多普勒、延迟角、到达角、发射信号角度展宽、接收信号角度展宽，和极化信息）

• 移动速度和行进方向，

• 接收天线的位置和阵列，

• 以及多个大尺寸参数。

这些基于测量的信道模型，包括无线信道的所有参量（时间、频率、空间和极化）。由于空间和极化都是空间相关性的关键参数（MIMO性能与此强烈相关），因此这两个参数显得极为重要。显然，这种方法准确且逼真地模拟了MIMO设备测试所需的环境。图3说明了对于具有发射机、接收机以及两者之间的多次散射的GSCM（基于几何形状的随机信道模型）的环境。接收机接收到的信号是发射机的发射信号通过具有空间特性的多径环境后得到的，因此，包含接收天线特性的空间特性即成为测试接收机性能的主要因素。GSCM系列（基于几何形状的随机信道模

型）模型包括了3GPP（第三代合作伙伴项目）的空间信道模型（SCM），SCME（扩展空间信

道模型），WINNER（全球无线创新无线电）和ITU（国际电信联盟）, IMT- Advanced（国际先

进移动通信）的信道模型。

MIMO OTA信道模型的映射

在MIMO OTA测试中，接收天线直接集成在被测设备上面，成为被测设备的一个组成部分，因此无需将其天线阵列加载于仿真的信道模型之中，其对于被测设备性能的实际影响直接可以通过测试得到。这样，MIMO OTA测试中的关键挑战在于要在暗室中产生实际的传播特性，尤其是AoA（到达角）和ASA（到达角的角度展宽）。这种以几何参数为基础的信息，例如在SCM（空间信道模型）中，要为被测设备的天线创建适当的相关性参数。除此之外，还需要关于发射天线阵列（基站）的信息，包括阵列的几何信息和天线场阵列，以及每个径或者簇对于终端的速度分量或多普勒频率分量。

随后这些集群被同时映射到相应的OTA天线处，使得发射信号在暗室中央的空间合成结果与被定义的模型一致。该映射是由空间无线信道仿真仪完成的。为了使角度扩展更加精确，每个簇的信号都是由几个OTA天线发射产生的。其结果是，以几何信息为基础的无线信道环境可以准确地在暗室里产生。

                                        图3 基于几何地理的信道模型

EB MIMO OTA应用软件功能强大，可以创建并且映射产生以几何学为基础的适用于暗室环境的信道模型。信道模型可以选择SCM（空间信道模型）,SCME（空间信道模型扩展）, WINNER（全球无线创新无线电）, IMT-Advanced(全球移动电信-先进), TGn（美国电气和电子工程师协会WiMAX无线信道模型）甚至于用户自定义的模型均可。OTA探头天线的数量和位置也是完全可变的。同时，为了保证发射端仿真的真实性，也可以导入实际基站的天线阵列于信道模型之中。除了静态模型外，也可以创建在线性动态变化环境里的场景。

系统设置

               EB OTA系统可支持从简单的单簇系统扩展到复杂的全三维系统（图4）。单簇系统是根据吞吐量区分终端性能优劣的入门级解决方法。角度展宽过窄会导致的高相关性以及要求被测设备旋转会显著地影响性能结果。角度展宽较宽，这样相关性较低，信道更易于实现空间多工（SM）。采用二维全圆周系统，所有二维信道模型（例如SCM, SCME, WINNER,IMT-Advanced）都能被模拟。完整的三维应用使得测试结果不仅考虑到方位角，同时也考虑到俯仰方向传播。整个系统是支持升级的，从单簇系统到二维全圆周系统，甚至到全三维系统。

                                        图4 MIMO OTA测试系统的可扩展性

2. MIMO OTA信道模型

3GPP（第三代合作伙伴项目）已批准了在评估MIMO OTA方法[1]时所使用的标准信道模型。该模型由CDL模型和一些简单的簇模型组成，参见表1                                MIMO OTA信道模型

仿真的基站天线的标准要求是：

➊ 垂直极化单元阵列

• 以中心频率为准的固定4倍波长间隔，或

• 不相关，即UE（用户设备）与BS（基站）每个天线均为独立产生数据通信，无互相影响。

➋ 双极化等功率单元阵列，每个单元无相关性，且固定10倍波长间隔以及45°倾斜。

表2为一个信道模型示例。这里的每一个簇都有不同的延迟，以及不同的AoD（发射角）

和AoA（到达角）特性。每个簇都有三条径，具有微小的延迟以确保良好的频率相关性和较宽的带宽。

单簇信道模型是基于SCME Urban Micro-cell model（扩展空间信道模型城市微蜂窝模型），并假定所有到达角都为零度而得到的，这意味着该模型在空域只有一簇。延迟的位置与原始多簇模型相同。两个模型的交叉极化比、传播方向和移动速度都相同。在单簇模型中的一个选项是允许到达角的角度展宽可以设定为35º或25º，以便于可测不同设备的空间相关性范围。

SCME 城市微蜂窝

 3. 系统校准

本节将概述对第二节描述的测试系统进行正确校准所需要的步骤。校准的目标是对误差的补偿确保每个探头都有相同的幅度和相位响应，例如探头位置差异或者电缆个体差异引起的增益与相位误差。

校准过程包括测量每个测试通道从信道模拟器的输入口到设备位置的总的路径损耗，其方法是使用一个静态的信道模型，也称为单径模型。对于各条路径损耗的差别的补偿是通过在信道仿真仪的用户界面（GUI）调整每条通道的幅度和相位的加权。当幅度和相位的调整加权值储存在信道仿真仪的每个通道时，校准过程完成。通常使用已知增益的参考天线用来校准。这个校准过程必须对所有探头的两个极化（垂直和水平）都进行校准。SATIMO的电偶极子和磁偶极子天线可以分别被用作垂直和水平方向的校准天线。

校准时间是OTA（空口）测试的一个关键参数。天线设计师和测试工程师需要一个便于使用并且设置快速的工具。以下是下图中常规校准方法的缺点：

• 偶极子天线是窄频带的

• 偶极子是单极化的，所以对于每个需要校准的频率，电偶极子和磁偶极子天线两者都得使用.

图5 MIMO OTA 测试设备与校准设备MV-CalTM  连接的设置

• 每条测试通道都包括有源元件，例如混频器和放大器。这些元件的性能是与时间和温度有关的，所以校准必须进行多达每周数次。

• 探针阵列本身是无法校准的。对于高质量的测试，每个探头的射电轴还是需要校准的。

SATIMO在多探头系统的卓越技术使得它有可能提出一种具有自动化、快速、和简单性能的MIMO OTA测试系统校准解决方案---MV-Cal TM图5为校准方案的示意图。

有两组数据会被处理和储存：

➊ 第一组数据是校准暗室外部设备（射频（RF）和基带（BB）），这部分工作可在任何时间由MVCalTM盒子瞬时完成。

➋ 第二组数据是校准探针阵列本身，其校准步骤对于单入单出（SISO）和多入多出（MIMO）测量是相同的。SATIMO对于探头阵列的校准有多年的专业经验，其经过良好验证的校准方案可以确保每一个探头具有相同的幅度，相位和极化响应。

由于探头和电缆特性不会在短时间内变化，为了获得高准确度的结果，校准过程的第二步一般是每年进行一次。

然后两组数据便可以直接应用于测量过程中。这样，校准时间可以大大缩短，因为无需使用一组偶极子天线来进行校准，而如果需要校准多个频段时用偶极子天线校准部分通常需要花费很长的时间。

4. 结果分析

已使用上述的StarMIMO系统设置，加上EB Propsim® F8 MIMO OTA信道仿真仪完成了许多测试任务。下面所示的是部分结果，是正在进行的3GPP/COST2100 Round Robin测试的一部分。

测试是使用单簇（4个双极化探头）和多簇（8个双极化探头）方案进行的。

通过3GPP和CTIA，无线行业已认同把吞吐量与接收功率的关系曲线作为评估测试系统的性能、天线以及多天线终端的芯片组的品质因子。

已经在HSDPA（高速下行分组接入）的RX（下行链路)分集和长期演进（LTE）的多入多出（MIMO）设备上测试了吞吐量与功率的关系。

HSDPA （高速下行分组接入）的RX（下行链路)分集的空口（OTA）

图6和图7显示的是NOKIA CS-15 USB (通用串行总线)Dongle和嵌入3G芯片组的DELL E4300 笔记本电脑的测试结果比较，测试时采用的是具有多簇的城市微信道模型和城市宏信道模型。两种设备均支持高速下行分组接入（HSDPA）分类9并且配备两个下行链路（RX）嵌入式天线。

                    图6 Hset-3的吞吐量和信道功率图

                   图7 Hset-6的吞吐量和信道功率图

H-set3和 H-set6是与HSDPA的下行物理信道的不同的相对功率设置有关的[参考3GPP TS34.121-1第9部分]

可得到如下结论：

• 当信道功率减少时，吞吐量下降

• 城市微单元和城市宏单元的设备性能方面存在差异

• 对于这两种设备相同的是，城市宏单元的信道模型比城市微单元更具挑战性。

LTE MIMO OTA测试

图8和9分别显示了当使用单簇和多簇OTA测试方案时，两个LTE MIMO的有设备的吞吐量与信道功

率的关系曲线。

华为E398和三星GT-B371皆为USB dongle，均使用相同的笔记本进行测试，并连接相同的USB端口，以避免在 UE（用户设备）设置中产生任何差异。

                                                    图8单簇下的城市微蜂窝和城市宏蜂窝

图9多簇下的城市微蜂窝和城市宏蜂窝

关于每条RX（下行链路）的分集测试曲线，可以得到如下结论：

• 该测试方案可以区分设备性能的优劣

• 吞吐量随着信道功率降低而减少

• 对于LTE设备，城市宏单元的信道模型比城市微单元更具挑战性。

• 信道模型对设备的性能影响很大。这可以从城市微蜂窝与宏单元信道模型的吞吐量与信道功率曲线的关系观察到。 MIMO OTA测试系统能够准确地模拟不同的无线传播场景，这使得它可以调查不同参数对系统性能的影响。

测试时间

测试时间是OTA（空口）测试中的关键参数。天线设计师和测试机构需要一个具有良好的准确性和相对较短的时间的测试方案。测试时间也很重要的另一个原因是因为典型的性能测试是需要通过几个不同的信道模型测试结果下被评估的。考虑到吞吐量是作为MIMO OTA测试的品质因子，使用较少数量的资源块来计算吞吐量可以大大缩减测试时间。基于信道模型的统计性质，必须找到资源块数和信道模型统计之间的最佳折中值。

图10显示了在使用20000和10000个资源块时，吞吐量与信道功率的关系的比较曲线可以看出资源块数量从20000减少到10000的时候，虽然大大减少了测量时间，但并没有对吞吐量与信道功率的关系曲线有显著影响。资源块数量从20000减少到10000，测量时间也从1小时10分钟减少到了大约40分钟。

                         图10 吞吐量和资源块输量 
>结论

MIMO要考虑相关性！相关性对无线链路的吞吐量具有重大影响。由于相关性纯粹是一种天线特性和传播信道的参数， MIMO OTA的测试方案可以直接测量其真实的终端性能。

良好的天线设计工作是一项很复杂的任务，尤其是在要考虑对终端的形状要求时。

本文中，我们提出了一种全新的测试系统，它是专为测量多天线终端的端到端性能而设计的。在单个测量中，可以描述完整的终端性能，包括基带，射频前端和天线。SATIMO在多探头技术方面的长期经验可以为其提供准确的系统校准方案。

SATIMO多探头科技加上EB Propsim® F8 MIMO OTA信道仿真仪就可以提供一个一流的和准确的解决方案，该方案可以为被测设备创建任意的空时特性。而空时信道模型是通过把探头天线安放在不同的物理位置，并且通过EB Propsim® F8 MIMO OTA仿真仪模拟MIMO信道而实现的。从传统的传导测试信道模型到MIMO OTA模型的转换或映射是由EB开发的软件自动完成的。MIMO OTA测试技术使得我们可以进行通过/失败型测试和对现实环境中性能的评估，该方法回答了“我的终端有多好？”这一问题