面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究

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面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究
孙浩  吴翔  潘冲
（中国信息通信研究院移动通信创新中心，北京 100191）

摘要：以面向毫米波大规模多输入多输出天线的空口（Over-The-Air，OTA）测试为研究背景，旨在探究毫米波信道的重要特征对OTA测试系统的影响，以便研究与之相匹配的OTA测试系统架构和毫米波信道重构算法，进而准确评估毫米波设备的系统性能。不同于Sub-6 GHz频段的OTA测试，通过分析毫米波信道的几个重要特征，进而分析其对毫米波OTA测试系统和信道重构方法带来的影响；阐述了两种现有的毫米波OTA测试系统模型及其实现原理，并对其各自存在的问题进行了分析；最后讨论了采用空间相关性作为毫米波信道重构准则存在的问题，进而分析了采用空间谱作为毫米波信道重构准则的优势，并就重构动态毫米波信道时如何快速获得任意时刻的OTA探头权重提出构想。

关键词：波束赋形；毫米波信道；空口测试；空间相关性

中图分类号：TN928；TN929.5           文献标志码：A

引用格式：孙浩, 吴翔, 潘冲. 面向毫米波大规模天线的OTA性能测试方法研究[J]. 信息通信技术与政策, 2022,48(10):79-86.

DOI：10.12267/j.issn.2096-5931.2022.10.012

0  引言

鉴于毫米波频段拥有海量频谱资源，在5G移动通信中对毫米波的研究引起了科研人员的广泛关注。预计毫米波频段的可用带宽应比当前Sub-6 GHz频段的带宽有极大提高，可以满足未来对数据高速率传输的要求。然而，与Sub-6 GHz频段相比，毫米波的穿透损耗和散射损耗更大，使得信号在毫米波信道传输过程中受到更高的路径损耗和传输阻塞[1]。为了克服巨大的路径损耗，以保证较大的接收功率，毫米波天线应提供更大的增益以确保系统较高的信干噪比（Signal-to-Interference-Noise Ratio，SINR）。而大规模多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）作为5G通信的关键技术，通过布置大规模天线阵可以有效提高通信链路的可靠性，显著补偿毫米波信道严重的路径损耗[1]，进而发挥毫米波频段的优势。现阶段，为了促进毫米波天线设备的研发和部署，需要在毫米波频段下对大规模MIMO设备的天线和基带性能进行评估。因此，研究一种准确可控的性能评估方法对毫米波大规模MIMO设备的研发十分重要。

用于评估3G和4G多天线设备的传导测试方法已无法用于评估毫米波大规模MIMO天线设备的性能[2]。主要原因有：配备数十根乃至数百根天线阵元的大规模天线设备是一个高度集成的单元，不再提供用于传导测试的天线端口；评估大规模多天线设备的性能需考虑设备的波束能力，如波束赋形、追踪等，而传导测试直接将射频线缆连接到多天线设备的天线端口上，无法反映出多天线设备的波束能力。综上两方面原因，鉴于传导方法对测试大规模天线设备的局限性以及毫米波大规模天线设备自身的性能要求，在对毫米波多天线设备进行性能评估时将采用空口测试方法，其辐射天线直接用作测试接口。毫米波设备的辐射测试对象主要为设备的发射机和接收机。发射机测量主要关注输出功率、调制能力与非期望辐射等。接收机测量，主要关注接收信号解调能力测试。对无线资源管理的测试，主要关注初始系统接入、连接配置、移动性和切换、波束捕获、细化和跟踪等[3]。本文主要关注的是对毫米波多天线设备的系统性能测试，即对系统吞吐量的评估。

1  辐射测试方法及可行性分析

1.1  混响室法

混响室是一个封闭的金属腔体，内部通常配备有金属搅拌器和转台，可以用来表征单天线系统的特征，如总辐射功率（Total Radiated Power，TRP）和总辐射灵敏度（Total Radiated Sensitivity，TRS）。通过混响室法可以在金属腔内模拟具有统计各向同性的空间角分布和信道为瑞利衰落的多径环境。然而，混响室法自身存在一定的局限性：首先，该方法对信道功率时延谱（Power Delay Profile，PDP）和多普勒扩展的模拟是有限的，需要结合信道模拟器才能得到期望的PDP和多普勒扩展[5]；其次，混响室内的统计各向同性决定了重构的信道具有相等的垂直极化和水平极化特征，所以该方法无法控制信道的空间角分布和交叉极化比（Cross-Polarization Power Ratio，XPR），即无法用于极化分集的场景；另外，毫米波信道的传播路径主要由少数几条构成[3]，使得真实目标信道在接收天线空间域的方向性并非各向同性，而在暗室中模拟的信道环境并不符合这一特点。综上所述，该方法不能在空间域内按照目标信道模型的特征对其进行准确可控的重构。所以，混响室法并不适用于毫米波系统的OTA性能测试。

1.2  辐射两步法

辐射两步法是一种基于暗室的测量方法。该方法由两个阶段组成：在第一阶段中，通过常规单输入单输出（Single-Input Single-Output，SISO）OTA暗室获得DUT天线单元的方向图信息；第二阶段将测量到的辐射方向图嵌入到信道模拟器的空间信道模型中，进而生成衰落信号以便被暗室中的DUT接收。包含DUT天线阵子方向图的空间衰落信号通过OTA天线辐射至DUT天线，并且每个DUT天线对应一个OTA天线。通过该方法可以测量出OTA天线与DUT天线之间的传输矩阵，以计算逆传输矩阵对测试信号进行预编码。最初两步法是采用线缆的传导连接方式，故而称之为传导两步法。然而在使用过程中该方法无法对待测设备天线阵子间的自干扰进行评估，所以文献[6]将其修正为辐射测试方式，称为辐射两步法。相比于传导两步法，辐射两步法不仅考虑到了DUT天线间的自干扰，并且在评估系统吞吐量的过程中无需对待测设备进行拆解，保证了待测设备的完整性和测试方法的便利性。

辐射两步法是一种很有应用价值的静态毫米波天线测试方法，目前第三代合作伙伴计划（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）正在对有关工作进行讨论。然而，由于无法将第一阶段得到的被测天线方向图根据信道的变化及时做出改变以应用到第二阶段中[4]，所以该方法并不适用于动态信道的OTA测试。并且在辐射两步法中，OTA天线的数量必须大于或等于DUT天线单元的数量，致使测试系统成本较高。综上，采用辐射两步法评估配备大规模天线的毫米波系统的性能是难以实现的。

1.3  多探头暗室法

无线信道中具有相近时延和离开角/到达角的多径分量可归为同一簇。在多探头暗室法（Multi-Probe Anechoic Chamber，MPAC）中，将信道衰落模拟器生成的每一个簇通过多个探头辐射出去，从而在暗室测试域内模拟所需的辐射传播环境。MPAC主要包括预衰落信号合成法（Prefaded Signals Synthesis，PFS）和平面波合成法（Plane Wave Synthesis，PWS）。通过这两种方法均可以在暗室测试域内生成统计特性相同的辐射传播环境。然而这两种方法的实现原理并不相同，PWS方法注重对簇内每条子径进行重构，是对具有特定到达角、多普勒频移和幅度的单一平面波进行合成，探头权重为复数；PFS方法则针对簇的整体，侧重于重构每一个簇的空间特征，且添加的探头权重为实数。所以，采用PFS信道重构方法，基本合成对象为单一的簇，其主要特征参数包括空间相关性、时延功率谱、多普勒频谱、交叉极化比等。

相比于PWS方法，PSF方法对于测试系统各个链路的相位一致性要求较低。然而，由于大规模MIMO设备的天线单元众多且射频器件自身受非线性效应的影响，很难对每个探头天线进行严格的相位校准。所以，在MPAC方案中，PFS法成为模拟毫米波目标信道的主流方法。但是，为了产生一个足够大的测试域以测试具有更大口径的毫米波大规模天线设备的性能，需要增加OTA天线和相应的信道模拟器通道的数量，这将增大测试系统的成本。因此，如何基于PFS方案准确重构毫米波信道及合理构建OTA测试系统是本文的研究重点。

2  毫米波信道特征及其对OTA测试系统的影响

2.1  大带宽相比于Sub-6

GHz信道，毫米波信道具有更大的带宽。信道模拟器作为无线通信测试的重要组成单元，通常用于产生发射机和接收机之间的无线信道，即真实无线传播环境可通过在信道模拟器中进行数学建模以完成物理实现。因此，信道模拟器被视为OTA测试系统必不可少的试验设备。然而，目前可商用信道模拟器通常为产生Sub-6 GHz信道而设计，可支持带宽有限。例如，文献[5]分别描述了最大支持带宽为50 MHz、100 MHz和160 MHz的商用Sub-6 GHz信道模拟器。但为了构建毫米波OTA测试系统，迫切需要设计一款适用于毫米波频段的信道模拟器。为了解决该问题，文献[7]介绍了如何基于现有的Sub-6 GHz信道模拟器生成毫米波信道模拟器，以实现从Sub-6 GHz频段到27.5~28.5 GHz的毫米波频段的信道仿真。具体原理如图1所示，混频器和本振（LO）将信号从某个频率范围变换到另一个频率范围。为了扩展系统带宽，信号在信道模拟器中被并行化处理。利用功率分配器、信道模拟器中的多个衰落单元和功率合成器，可以实现频带合并，进而通过上变频以生成毫米波射频信号。可以看到，为了产生毫米波信道，需要对OTA测试系统的结构进行匹配设计以满足毫米波信道大带宽的需求。


图1  基于带宽合并的毫米波信道模拟器

2.2  稀疏性

相比于Sub-6 GHz信道，通过多探头合成毫米波信道时所需要的探头数量相对较少。这是因为传播信道是稀疏的，其中主要簇的数量相对有限且具有高度的空间选择性。通过测量毫米波信道，发现非视线场景中簇的数量通常为6~10 条，并且簇内部子径的数量较少，可以忽略簇的角度扩展[8-9]。在Sub-6 GHz频段的OTA测试系统中，可通过空间相关函数间接评估重构信道的角度功率谱（Power Angle Spectrum，PAS）。然而毫米波天线的方向性更强且毫米波信道高度稀疏，此时仍采用空间相关性准则评估OTA测试系统模拟的毫米波信道的性能将是不准确的[4]。所以，文献[10-11]提出空间谱理论来评估重构信道的空间特征，而非使用间接性的空间相关性准则。待测多天线设备通过波束扫描探头辐射的电磁信号直接得到重构信道的空间谱，在评估重构信道空间特征精度的同时以反映大规模多天线设备的波束赋形能力。另外，鉴于毫米波信道簇内角度扩展很小且可以忽略，簇的概念被进一步弱化。在OTA测试进行探头选取时需要考虑该特征造成的影响，以尽可能减少探头天线的使用。

2.3  动态特征

与Sub-6 GHz信道相比，毫米波信道具有高度的动态特征[12]。其主要原因有：在毫米波频段下，波长很短，很小的运动都会改变多径干涉的结构；天线阵列和波束形成器是毫米波设备的重要组成部分，在链路建立过程中，波束赋形必不可少，且自适应波束形成操作本身要求无线信道具有高度动态性；路径增益对用户或其他障碍物的阻塞非常敏感，进而导致不同多径分量所观测到的功率快速变化。综上所述，准确重构动态信道环境，对评估毫米波频段的大规模MIMO设备真实的端到端性能十分重要。对于毫米波信道，目标信道角度功率谱应该是时变的，且在重构毫米波信道时探头的权重必须根据信道的变化进行实时更新。考虑到动态毫米波信道较快的变化速度，计算探头权重的方法应该是快速、高效的。文献[12]描述了一种通过模拟信道空间谱计算探头权重的方法，该方法无须进行优化运算且计算速度较快，但缺点是需要对每个信道状态下的空间谱进行计算。所以，研究一种灵活高效的重构毫米波信道的探头加权方法将十分有必要。

2.4  球面波前和非平稳性

测量毫米波频段下大规模MIMO信道发现，到达大型天线阵列的电磁信号将是球面波前且非平稳的[13]。其原因：第一，在毫米波通信系统中,发射机和接收机之间的距离可能小于Rayleigh距离，不满足等效平面波前近似的远场条件；第二，某些簇在整个阵列上是不完全可见的，即大规模天线阵列的每个天线单元可能观测到属于自己的一组簇；第三，天线阵的功率不均衡和Rician分布中K因子发生变化。基于这三个因素，毫米波信道不同于Sub-6 GHz信道，对暗室中重构的信道特征提出了更复杂的要求。除了电磁波球面波前，阵列非平稳性是指从一个天线阵元到下一个天线阵元发生出现或消失簇的现象，这意味着不同天线阵元可观察到不同的簇集。所以，不同天线单元观测到的簇的参数不一样，如功率和延迟偏移。因此，OTA暗室重构毫米波大规模MIMO信道需要考虑真实外场信道特征，即确保电磁信号到达DUT天线阵子是球面波前且非平稳的。

2.5  簇的生灭

通过对毫米波信道进行实际测量发现，毫米波信道中存在簇的生灭现象，即不同时刻簇的出现或消失[13]。不难想象，毫米波信道的这种现象将对多天线设备的OTA性能测试带来巨大挑战，即在OTA暗室模拟毫米波动态信道过程中，要求信道模拟器重构簇的生灭过程，对信道模拟器的调控工作提出了较高要求，同时也将对毫米波OTA测试系统的结构带来重大影响。除此之外，探头天线的位置/权重也需要根据簇的生灭做出实时改变，以适应簇的生灭特性。

3  毫米波大规模天线OTA测试系统

3.1  系统模型

3.1.1  基于开关结构的毫米波OTA测试系统
文献[4]和文献[12]提出了一个配备开关单元的三维扇形MPAC系统以用于测试毫米波天线设备的性能。该系统如图2所示，由一个覆盖有吸波材料的暗室、若干个分布在扇形探头墙上的OTA天线、一个可将信道模拟器输出端口有选择性接入到OTA天线的开关单元、一个毫米波信道模拟器和一个作为DUT的毫米波基站组成。以上行通信链路为例介绍其工作原理：首先，用户模拟器生成一个测试信号，该信号被馈送到毫米波信道模拟器。信道模拟器可用于生成多径信道环境，包括路径延迟、多普勒扩展等。进而，信道模拟器生成的信道脉冲响应与测试信号进行卷积。为了在DUT侧准确模拟目标信道的空间特征，需要将信道模拟器产生的衰落信号映射到恰当的OTA天线上以在暗室中生成辐射信号。所以，放置在测试域的DUT可在预期的信道环境中运行工作，且该方法是可控、可重复的。


图2  基于开关单元的毫米波OTA测试系统

开关电路作为OTA测试系统重构毫米波信道的关键单元，通常假定其可在每个时刻进行自由切换，而不产生任何失真。实际上，重构动态毫米波信道环境对机械继电器开关提出了较高的性能要求。具体地，文献[14]已通过高性能可重构射频（Radio Frequency，RF）电路对机械继电器开关进行了性能测试，其主要存在的问题有：第一，从低频变化到高频，开关隔离度逐渐降低，设备的插入损耗也随之增加；第二，在开关切换过程中，断开任何空闲的传输线都可能在微波范围内发生谐振，该谐振可将电能反射到工作中的RF电源,进而将其损坏；第三，机械开关在动态信道的每个时刻只使用了探头墙上部署的部分探头天线，造成硬件资源浪费。基于以上原因，为了准确评估毫米波多天线设备的性能，实际OTA测试对开关单元提出了较高的设计要求，带来实际应用的困难和挑战。具体地，文献[15]已对基于开关单元的毫米波OTA信道重构系统的性能进行了详细的分析描述。

3.1.2  基于调幅调相单元的毫米波OTA测试系统

鉴于机械继电器开关存在的以上问题，文献[15]提出了一种基于新型调幅调相（Amplitude-and-Phase Modulation，APM）单元的OTA测试系统以用于评估毫米波大规模MIMO设备的性能。与机械开关相比，APM单元的优点可以概括为：第一，输入端口和输出端口之间的交叉链路相互独立，可以对每一条链路的复权值进行数字调整，且调整过程中不存在谐振现象；第二，在数字切换过程中只需改变射频通道的幅度和相位，不存在机械开关在切换过程中的干扰问题；第三，附加的射频线将会造成不同链路的幅度和相位存在误差，而APM单元具有自动校准功能可以平衡射频线引起的误差；第四，时钟校准是APM单元的另一个重要功能，可以做到与信道模拟器同步，在重构动态毫米波信道过程中可精确调整APM单元内部的权值。

基于APM单元的MPAC测试系统如图3所示，DUT被放置在暗室测试域的中心位置，探头墙上的每一点到测试域中心的距离均为R。使用全连接的APM单元代替开关设备，通过APM单元对每一路输入输出通道的幅度和相位进行调节。在上行通信链路中，APM单元的每个输出口连接到每一个探头天线，信道模拟器的每个输出口连接到APM单元的输入端口，系统末端连接用户模拟器。需要注意的是，为了保证系统正常运行，信道模拟器的每一输出口只输入单个簇的冲激响应，即簇的数量不应大于信道模拟器输出端口的数量[15]。考虑到毫米波信道簇的数量通常为8~12 条[16]，所以该约束限制对重构非视距毫米波信道是十分合理的。此外，用于合成目标簇的OTA天线分别映射有独立的衰落系数序列，且服从相同分布。在此需要强调的是，在对APM单元的幅度相位进行调制时精度误差可能会影响模拟信道的精度，需要进一步研究该误差带来的影响并加以消除。此外，由于AMP单元的引入，势必会给测试系统引入新的误差以及不确定度。因此，在对测试系统进行指标验证的时候，除了对测试区域内部的时间相关性、空间相关性等指标进行验证之外[17]，也需要对APM单元的动态幅相调制能力进行检验。


图3  基于APM单元的毫米波测试系统原理图

3.2  毫米波信道重构评估准则

3.2.1  空间相关性准则

通过空间相关性可用来表征入射信号达到不同接收天线之间的相似性，能够反映出天线之间的空间特征[18]。所以，评估OTA重构信道的精度通常选取空间相关性作为度量准则，最小化目标信道和模拟信道之间的空间相关性偏差方程进而确定探头权重。然而，空间相关性将无法作为度量准则以用于毫米波大规模天线的OTA测试系统，主要原因如下：首先，相比于UE终端，大规模多天线设备通常具有更大的物理尺寸，进而需要较大的测试域且在测试域内采集更多的空间位置。而如果空间采样数量有限，不同PAS的簇将产生相近的空间相关性[18]，造成信道重构的不准确。其次，在评估毫米波多天线设备的性能过程中不仅需要对重构的目标信道进行准确度量，同时需要反映大规模多天线阵列的特性，如波束的捕获、跟踪能力等。再次，考虑到多天线系统更具方向性且毫米波信道的高度稀疏性，空间相关性与PAS将不完全相关，所以该准则无法准确反映重构的毫米波信道性能[4]。基于以上原因，需要研究新的信道重构评估准则，在评估模拟的动态毫米波信道的同时能够反映大规模多天线设备的波束赋形能力。

3.2.2  空间谱准则

由于UE较小的阵列孔径和有限的码本集，其通常不具备波束控制功能。而在毫米波频段对大规模基站天线阵的控制通常使用混合波束赋形技术，其中天线阵列被分成若干个子阵列，每个子阵列连接到一个RF端口[3]。子阵列的可调相位可由模拟加权向量进行调控，以产生一组预定义的固定天线波束进而覆盖目标区域。所以，准确评估毫米波天线设备的波束赋形能力是选取OTA测试系统性能指标的重要依据。鉴于毫米波信道的稀疏性以及需要对大规模MIMO设备的波束赋形能力进行评估，基于空间谱的信道重构度量准则已经在文献[10-11]中进行了详细的阐述。通过该度量准则不仅能够直接表征重构目标簇的PAS，同时能反映出DUT的空间分辨率。该准则利用经典Bartlett波束形成算法和虚拟的DUT阵列来估计重构信道的PAS[19]，其原理是通过DUT阵列的有限孔径过滤传播信道的空间角分布。具体来讲，空间谱是对天线阵列所观测到的信号功率的量度。在目标簇方向上得到的空间谱为阵列天线产生的最大接收功率，而空间谱在其他方向的值可以理解为阵列在目标簇方向产生的旁瓣对其他方向的干扰。此外，由于空间谱可用于对目标信号的DoA估计，模拟空间谱的精度同时决定了DoA估计的精度，这对评估大规模MIMO天线阵列的性能至关重要。因此，通过优化目标信道空间谱与模拟信道空间谱之间的偏差方程可以提高信道重构和DoA估计的精度。

3.3  探头权重的快速计算

为了在测试域内重构目标信道的PAS，需要将目标信道的每个簇依次映射到一组有源探头天线上。映射是通过将簇的衰落信号辐射到每个活跃的探头天线上并通过设置探头的权重进行执行。对于动态毫米波信道，目标信道的PAS是时变的，必须根据信道的变化实时更新探头天线的权值。因此，计算探头权重的方法也应该是快速高效的。文献[12]介绍了一种较为有效的方法，旨在最小化目标信道对应的空间谱和DUT阵列所观察到的模拟信道空间谱之间的偏差。这种权重计算方法在确定每个时刻的探头权重时无需做任何数值优化，计算复杂度较低。但其缺点是首先需要计算出任意时刻的空间谱，然后对其进行分解以求出探头权重。该方法适用于信道特征变化较慢的动态信道，但对于快速变化的毫米波信道环境，需要不断计算每一时刻的空间谱以确定探头权重，使得计算量增大。所以，构建一个探头权重随动态信道变化而随之改变的表达式，即权重与每一时刻的信道特征参数直接相关，可直接由任意时刻的信道参数确定待定的探头权重，具有重要意义。

4  结束语

本文以毫米波大规模天线的 OTA测试为研究目标，旨在实现毫米波信道的准确重构以评估毫米波设备的性能。首先，介绍了不同辐射测试方法的原理及用来评估毫米波多天线设备存在的优缺点。其次，分别对毫米波信道特有的特征，即大带宽、稀疏性、动态性、簇的生灭和球面波前和非平稳性进行了介绍，进而分析其对构建毫米波OTA测试系统架构和信道重构算法的影响，着重讨论了几个重点需要解决的问题，如支持大带宽的毫米波信道模拟器的实现、有效探头位置的选取、毫米波信道动态特征的复现以及毫米波信道评估准则的选取等。最后，鉴于毫米波信道的稀疏性及需要评估大规模天线阵的波束赋形能力，提出空间谱将是一种更有效的毫米波信道评估准则，而非传统OTA测试中通常采用的空间相关性准则。

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Research on over-the-air performance testing methods for millimeter-wave massive MIMO

SUN Hao, WU Xiang, PAN Chong

(Mobile Communications Innovation Center, China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China)

Abstract: In this paper, over-the-air (OTA) testing for millimeter-wave (mmWave) massive multiple-input multipleoutput (MIMO) devices is taken as the research background, which aims to study the impact of charac-teristics of mmWave channels on the OTA testing system. Further, the suitaable algorithms for mmWave channel emulation and OTA testing system are studied to evaluate the performance of mmWave devices in the anechoic chamber. Unlike the OTA testing in the Sub-6 GHz frequency band, the specific characteristics of mmWave channels are analyzed successively, such as large bandwidth, sparsity, dynamic characteristics and spherical wavefront, and each of which will have a significant impact on the structure of the OTA testing system and the theory for channel emulation. Moreover, two kinds of system models and their implementation principles that can be used for the mmWave OTA testing are elaborated. Finally, the defects of mmWave channel emulation based on spatial correlation are discussed, and the significance and advantages of spatial spectrum based metric are also analyzed. Furthermore, how to quickly determine the probe weights at any time is proposed in this paper.
Keywords: beamforming; mmWave channel; OTA testing; spatial correlation

本文刊于《信息通信技术与政策》2022年 第10期