張瑞艷+邵哲+曹景陽

【摘 要】為了研究一套適用于大規(guī)模陣列天線有源基站的OTA測試方案，分析了近場、遠(yuǎn)近場和緊縮場三種不同的測試方案，從場地需求、測試方案、測試接口和測試結(jié)果幾方面進(jìn)行對比研究。研究表明，目前遠(yuǎn)近場結(jié)合方案是唯一可以實施的測試方案，其他方案均有許多問題需要解決，需要繼續(xù)探索。

【關(guān)鍵詞】3D-MIMO 有源基站 OTA測試 陣列天線

[Abstract]Large-scale array antenna has been applied to 3D MIMO products， which is one of the key techniques for 5G. In order to investigate a set of OTA test methods suitable for the active BS with large-scale array antenna， three test methods suitable for the near field， near/far field and compact filed were analyzed， and then they were compared from perspectives of chamber requirement， test procedure， test interface and test result. Research demonstrates that the method of the combination of the far field with near field is the only feasible test solution to be implemented. In contrast， there are many problems for other methods to be further investigated.

[Key words]3D MIMO active eNB OTA test array antenna

1 引言

3D-MIMO技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，其通過陣列天線實現(xiàn)MU-Beamforming，實現(xiàn)頻譜利用率的成倍提升。3D-MIMO基站與傳統(tǒng)基站相比，RRU部分和天線部分緊密地結(jié)合在一起，難以拆分?；緶y試不得不打破原有測試方式，將射頻指標(biāo)和天線指標(biāo)結(jié)合在一起，采用有源OTA（Over The Air，空中下載技術(shù)） 測試方案。有源OTA測試方案對原有的無源OTA測試方案提出了很多的挑戰(zhàn)，因此高效率、低成本、高準(zhǔn)確度的測試方案成為業(yè)界的研究焦點。

2 現(xiàn)有測量方案介紹

2.1 基站無源天線的OTA測試方案

基站無源天線的OTA測試方案分為近場和遠(yuǎn)場兩類。其中遠(yuǎn)場是最為傳統(tǒng)的測試方案，原理簡單，但要求場地需尺寸滿足遠(yuǎn)場條件。相比于遠(yuǎn)場，近場對場地尺寸要求不高，且測試效率較高，特別是球面多探頭近場，一次測試可獲得三維方向圖，與遠(yuǎn)場相比，可以省去尋找主波束和測試切面的過程。近場測試方案在業(yè)界已經(jīng)獲得了普遍的認(rèn)可，國內(nèi)主要天線廠商都已建有自己的球面近場測試系統(tǒng)。球面近場測試示意圖如圖1所示。

近場測試方案實質(zhì)上是一個相對測試方案，其天線增益指標(biāo)是通過和標(biāo)準(zhǔn)天線的比較而得出的。而這種方案不太適用于有源測試方案，因為EIRP（Effective Isotropic Radiated Power，等效全向輻射功率） 是絕對值的測量，且此系統(tǒng)目前只具備單向測量功能，不具備上行測試能力。

2.2 終端的OTA測試方案

目前終端普遍采用了有源測試方案，測試射頻指標(biāo)TRP和TRS。因終端的尺寸比較小，小尺寸暗室可滿足遠(yuǎn)場條件。若暗室有水平測試環(huán)和垂直測試環(huán)，就可以實現(xiàn)手機基本不動的測試；如果暗室只有一個通信天線，就需要手機旋轉(zhuǎn)360°進(jìn)行測試。終端OTA測試場如圖2所示：

手機終端已經(jīng)具備了有源測試的方案，卻無法直接用于基站的有源OTA測試。因為基站的尺寸在1 m左右，滿足遠(yuǎn)場的測試環(huán)內(nèi)半徑需要13 m以上；若采用手機旋轉(zhuǎn)方案，對重達(dá)近50 kg的設(shè)備實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，對于夾具的要求也是非常高的，且效率比較低。

3 有源基站的OTA測試方案

有源基站OTA測試和傳統(tǒng)的無源測試的變化在于：從有源到無源的測試，從純天線指標(biāo)測試到新增射頻指標(biāo)測試。盡管終端OTA測試方案已經(jīng)具備了以上兩點的能力，但是基站比手機的表面積大了幾千倍，建造滿足尺寸要求的暗室場地也是非常困難且代價昂貴的。這使得現(xiàn)有的基站無源天線的測量方案和終端的OTA測試方案均不能滿足需求。因此對現(xiàn)有場地進(jìn)行改進(jìn)、利用現(xiàn)有場地的新測量方式和全新的測量方式等方法都是值得進(jìn)一步探討的。下面將介紹3種不同的測量方法并比較其優(yōu)劣。

3.1 基站OTA測試的內(nèi)容

有源基站OTA除了測試原有的天線指標(biāo)以外，還需要增加射頻指標(biāo)的測試：EIRP、EVM、ACLR、EIS（Effective Isotropic Sensitivity，等效全向接收靈敏度）和ACS等指標(biāo)，這些以前傳導(dǎo)方式測量的指標(biāo)轉(zhuǎn)換到輻射測試之后，增加了空間的維度。本論文針對EIRP和EIS的測量問題進(jìn)行分析。

3.2 近場測試方案一

（1）方案詳細(xì)介紹

如前所述，傳統(tǒng)的SATIMO近場測試方案難以適應(yīng)有源測試的新要求?；趯τ性椿镜腅IRP和EIS的測試需求，給出如圖3所示的有源天線測試方案（其中測試系統(tǒng)的參考由BBU提供）：

測試方案描述：測試前先把轉(zhuǎn)臺到近場各個探頭的空間路損校準(zhǔn)后補償?shù)较到y(tǒng)中，PRU接收設(shè)備的發(fā)射信號。后臺分析部分?jǐn)?shù)據(jù)，然后通過近遠(yuǎn)場變換，即可把近場的EIRP推算到遠(yuǎn)場，獲得遠(yuǎn)場各個方向的EIRP值，目前的測量誤差估計不大于1 dB。測試EIS時，PRU發(fā)射調(diào)制信號并提供參考，并通過127陣子中的任一陣子進(jìn)行發(fā)射。有源設(shè)備接收信號，并將接收到的信號返回給測試接收系統(tǒng)。結(jié)合下行方向圖的方式獲取某點的EIS，但是獲得EIS的點數(shù)非常有限。若要直接獲得全維度的EIS，此測量方案從時間上無法接受。此方案盡管在效率上有一定的提升，但是無法獲得全向的EIS信息，仍有不足之處。

以上的測試描述需要對傳統(tǒng)的SATIMO近場進(jìn)行改造，主要的改變包括4點：

1）參考信號的提取和相位恢復(fù)

目前提出了3種由有源設(shè)備提供參考信號的提取方法：

方法一：在靠近設(shè)備處增加耦合天線，耦合天線和設(shè)備保持靜止，測試中隨待測設(shè)備一起旋轉(zhuǎn)。具體如圖4所示，此方法的難點在于參考天線的安裝。

方法二：從BBU和AAU的接口提取參考信號，這時候需要將CRPI接口或者其他接口信號通過信號轉(zhuǎn)換設(shè)備轉(zhuǎn)化成PRU部分可以識別的信號，送給PRU。具體應(yīng)用方式如圖5所示。此方案可以提供穩(wěn)定的參考信號，其缺點是需要增加參考信號的轉(zhuǎn)換設(shè)備，且對于此BBU和AAU的接口，各個廠家都有自己私有的算法，難以統(tǒng)一，實施難度大。

方法三：如果基站設(shè)備具備專用測試口，此測試口可以和所有發(fā)射通道同時相連，且位于天線陣子前，包含所有通路的射頻信息，可以通過同軸線纜直接和PRU的Ref端口相連，提供參考，具體如圖6所示。此方案可以提供穩(wěn)定的參考信號且僅需增加一條線纜，簡便易行，是3種方案中最優(yōu)的方案。

2）測量方案的變更

無源天線在測量增益時，是根據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)增益天線的接收電平的相對大小進(jìn)行計算的，與探頭接收到的電平的絕對數(shù)值無關(guān)。而EIRP的測量需要獲得的是電平的實際大小，因此在數(shù)據(jù)處理時需要使用探頭的接收電平的實際數(shù)值經(jīng)近遠(yuǎn)場變換后得出EIRP的數(shù)值。這樣的測量方式下，不能直接獲取有源天線的增益數(shù)值，只能根據(jù)設(shè)備的發(fā)射功率P和EIRP的測量值再計算得到。

3）接收鏈路增益的改造，適應(yīng)EIRP的測量要求

傳統(tǒng)的無源天線測試，信號由測試儀表發(fā)出，功率較小，探頭接收后需要經(jīng)過放大單元放大后才能進(jìn)入頻譜儀分析處理。對于有源天線，設(shè)備的EIRP高達(dá)70 dBm以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的信號源功率，因此會導(dǎo)致高增益接收鏈路飽和，無法進(jìn)行準(zhǔn)確測量，甚至導(dǎo)致接收低噪放損壞。

4）優(yōu)化接收信號的寬帶適用性

傳統(tǒng)的SATIMO無源天線測試系統(tǒng)只能測試連續(xù)波（CW）信號，對于LTE的寬帶調(diào)制信號無法正確接收。為此，需要改進(jìn)其接收系統(tǒng)，使之可以適應(yīng)寬帶調(diào)制信號的測試。同時需要支持Trigger功能，和TD設(shè)備的收發(fā)保持一致。

（2）方案的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)球面測試場相比，改進(jìn)后的球面近場測試方案具有如下突出優(yōu)勢：可以高效地獲得設(shè)備的全向EIRP信息；可測試調(diào)制信號，不再局限于連續(xù)波測試；可直接測試有源設(shè)備的EIS值。

（3）方案的不足

上述方案的不足之處在于：天線增益，只能通過EIRP數(shù)據(jù)和設(shè)備的發(fā)射功率進(jìn)行計算；對現(xiàn)有球面近場系統(tǒng)的改造較大，涉及軟硬件的改造；對于EIS的測試比較復(fù)雜，需要和設(shè)備開通接口，且效率不高；每次測試只能測試某一極化的信息，無法測試設(shè)備所有通道的信息。

3.3 近遠(yuǎn)場結(jié)合測試方案

（1）方案詳細(xì)介紹

近遠(yuǎn)場結(jié)合測試方案是一種將現(xiàn)有近場和遠(yuǎn)場組合的測試量方式，無需對場地進(jìn)行改造。用近場無源測試方案快速獲得設(shè)備的下行方向圖，用遠(yuǎn)場測試方案快速準(zhǔn)確地獲得設(shè)備指定波束下某些點的EIRP。將兩個場地的測試結(jié)果結(jié)合起來，推算獲得全向EIRP。對于EIS的獲取，可以由遠(yuǎn)場獨立完成。矢量信號源通過標(biāo)準(zhǔn)天線發(fā)射測量信號，設(shè)備接收信號并進(jìn)行測量。不同方向的EIS的獲取點數(shù)也是有限的。

測試舉例：

圖7是在無源近場測試的有源設(shè)備的方向圖，除天線的增益指標(biāo)外，均為正確測量結(jié)果。天線最大增益17.22 dB，不具備意義。

將設(shè)備更換到室內(nèi)遠(yuǎn)場，按照常規(guī)安裝測試天線和待測設(shè)備，待測設(shè)備的安裝轉(zhuǎn)臺需要保證設(shè)備可以左右、上下在一定的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。遠(yuǎn)場EIRP&EIS測試場地圖如圖8所示：

待測設(shè)備和測量儀表之間需要增加10 m同步和Trigger線纜，且暗室需要矢量信號分析儀和矢量信號源，以支撐射頻指標(biāo)EIRP和EIS的測量?；咎炀€是+45°和-45°兩個維度，接收天線采用垂直極化，測試時所有天線同時收發(fā)。遠(yuǎn)場測試設(shè)備安裝示意圖如圖9所示：

對于EIRP的測試：在遠(yuǎn)場測量得到設(shè)備的最大EIRP值為70 dBm。通過近場測試的方向圖和遠(yuǎn)場測試的最大EIRP相結(jié)合，得到設(shè)備的全向EIRP。通過全向EIRP和設(shè)備的發(fā)射功率P，得到有源基站天線的增益G，G=EIRP-P。

對于EIS的測試：矢量信號源通過垂直極化天線發(fā)射規(guī)定信號，所有通道同時打開，進(jìn)入接收模式。并進(jìn)行測量EIS。

遠(yuǎn)場測試有兩個關(guān)鍵點問題：遠(yuǎn)場測試尺寸問題：對于遠(yuǎn)場的測試第一要選擇遠(yuǎn)場的尺寸，假設(shè)天線尺寸直徑D=1 m，工作頻率2.6 G，對應(yīng)波長λ=0.115 m，按照公式計算2×D2/λ，至少需要17.5 m的場地；CW波和TM模式測試結(jié)果的等效問題：在近場為了減小對場地的改造，依然沿用CW的測量方式，在遠(yuǎn)場測試EIRP是否可以應(yīng)用調(diào)制波進(jìn)行測試。

針對以上兩個問題，專門進(jìn)行了驗證測試，測試結(jié)果表明滿足公式計算尺寸的遠(yuǎn)場的測量結(jié)果和理論值誤差在0.2 dB左右。CW和TM模式的測試結(jié)果完全吻合。

（2）方案的優(yōu)勢

與近場測試方案相比，近遠(yuǎn)場結(jié)合方案具備以下優(yōu)勢：可以最大限度地利用現(xiàn)有場地進(jìn)行測試，不需要對場地進(jìn)行改造，節(jié)省了眾多的場地改造成本和時間成本；EIS可以通過測量直接獲得，不需要測量設(shè)備和測試設(shè)備通信，不需要遠(yuǎn)近場變換，簡單易行。

（3）方案的不足

近遠(yuǎn)場測試方案的主要不足是測試需要變換場地，對設(shè)備進(jìn)行兩次安裝，對EIRP的測試效率有一定的影響。

3.4 緊縮場測試方案

（1）方案詳細(xì)介紹

緊縮場屬于室內(nèi)遠(yuǎn)場的一種，就是指在一個比遠(yuǎn)場相對緊縮的空間里產(chǎn)生遠(yuǎn)場天線測試時需要的平面波。信源發(fā)出的信號會先經(jīng)過一個或兩個反射面，反射面有一定的曲率，測試信號經(jīng)過反射后形成平面波，從而滿足遠(yuǎn)場條件。緊縮場利用反射面天線模擬了遠(yuǎn)場測試方案，且緊縮場測試中的發(fā)射、接收天線與待測目標(biāo)之間的距離小于遠(yuǎn)場測試所需的距離，所以緊縮場所需的測試空間是小于遠(yuǎn)場測試方案的。測試時通過轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動搜索獲取測試波束信息，得到E面和H面的二維曲線。

緊縮天線測試場的測試過程如圖10所示，控制被測設(shè)備向反射面天線輻射出一個波陣面，通過合理配置被測設(shè)備和反饋天線間的距離以保證充足的隔離度，這樣從設(shè)備中輻射出的球面波形在接受機處就近乎為平面波。被測設(shè)備發(fā)射的波陣面通過反射面天線將發(fā)射能力反射到反饋天線中，然后反饋天線再連接到測試儀表上，再通過測試儀表讀取測試數(shù)據(jù)，這樣就可完成緊縮天線測試場的測試。

（2）方案的優(yōu)勢

緊縮場作為一種復(fù)雜的室內(nèi)遠(yuǎn)場，具有如有優(yōu)勢：測試精度高。緊縮場由于更符合遠(yuǎn)場條件，測試結(jié)果的精度也很好；作為遠(yuǎn)場測試方式，原理易理解，可直接獲得EIRP和EIS的數(shù)值，無需進(jìn)行遠(yuǎn)近場轉(zhuǎn)換。

（3）方案的不足

緊縮場雖然有著測試精度高、可直接獲得遠(yuǎn)場結(jié)果而無需遠(yuǎn)近場變換的優(yōu)點，但缺點也很明顯：

場地技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)難度大、維護(hù)成本高昂。緊縮場在建設(shè)時需要精準(zhǔn)地設(shè)計反射面，國內(nèi)有能力建設(shè)大型緊縮場的單位鳳毛麟角。巨大的反射面不僅造價昂貴，還需要定期清潔、維護(hù)，成本遠(yuǎn)高于其他測試場地。

作為遠(yuǎn)場測試方案，緊縮場也只能對單個二維測試面進(jìn)行逐點掃描，測量前需要預(yù)判波束的準(zhǔn)確指向（往往需要先搜索），無法準(zhǔn)確測試出副瓣的位置和電平，測試速度和效率也偏低。和遠(yuǎn)場一樣，無法獲得全向方向圖。

4 方案的比較與總結(jié)

前面章節(jié)詳細(xì)介紹了有源基站OTA測試的內(nèi)容和方案，每種方案各有優(yōu)缺點，總結(jié)如表1所示。

以上4個方案中，近遠(yuǎn)場結(jié)合方案無需對現(xiàn)有場地進(jìn)行改造，測試方案的準(zhǔn)確性高，且業(yè)界的認(rèn)可度最高，是現(xiàn)階段可執(zhí)行度最高的測試方案；傳統(tǒng)近場改造方案可以在單一場地，通過一次測試便捷地獲得測試結(jié)果，效率更高，但準(zhǔn)確性還有待提高，且方案尚處于驗證階段，未得到業(yè)界的統(tǒng)一認(rèn)可，待方案成熟，將是非常有前途的一種測試方案；新近場測試方案以一種全新的數(shù)據(jù)采集方法，用有限數(shù)量探頭實現(xiàn)高效、全向測試，進(jìn)一步降低了對近場尺寸的要求，目前正處于方案的論證和研發(fā)階段，尚有很多問題需要解決，測量結(jié)果也需要詳細(xì)評估，方案得到驗證后，是非常不錯的低成本方案。緊縮場測試方案是眾多方案中最接近真正遠(yuǎn)場的測試方案，但場地費用較高，難以普遍應(yīng)用。

目前，業(yè)界的研究大多集中在下行的測試方面，而對于EIS的全方位測量，以上幾種方案均未能解決，對于其他射頻指標(biāo)的測量也尚未展開詳細(xì)的論證，后續(xù)各方將繼續(xù)在此方面進(jìn)行研究。

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