孫浩 吳翔 潘沖

(中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心，北京 100191)

0 引言

鑒于毫米波頻段擁有海量頻譜資源，在5G移動通信中對毫米波的研究引起了科研人員的廣泛關注。預計毫米波頻段的可用帶寬應比當前Sub-6 GHz頻段的帶寬有極大提高，可以滿足未來對數據高速率傳輸的要求。然而，與Sub-6 GHz頻段相比，毫米波的穿透損耗和散射損耗更大，使得信號在毫米波信道傳輸過程中受到更高的路徑損耗和傳輸阻塞[1]。為了克服巨大的路徑損耗，以保證較大的接收功率，毫米波天線應提供更大的增益以確保系統(tǒng)較高的信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio，SINR)。而大規(guī)模多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output，MIMO)作為5G通信的關鍵技術，通過布置大規(guī)模天線陣可以有效提高通信鏈路的可靠性，顯著補償毫米波信道嚴重的路徑損耗[1]，進而發(fā)揮毫米波頻段的優(yōu)勢?，F階段，為了促進毫米波天線設備的研發(fā)和部署，需要在毫米波頻段下對大規(guī)模MIMO設備的天線和基帶性能進行評估。因此，研究一種準確可控的性能評估方法對毫米波大規(guī)模MIMO設備的研發(fā)十分重要。

用于評估3G和4G多天線設備的傳導測試方法已無法用于評估毫米波大規(guī)模MIMO天線設備的性能[2]。主要原因有：配備數十根乃至數百根天線陣元的大規(guī)模天線設備是一個高度集成的單元，不再提供用于傳導測試的天線端口；評估大規(guī)模多天線設備的性能需考慮設備的波束能力，如波束賦形、追蹤等，而傳導測試直接將射頻線纜連接到多天線設備的天線端口上，無法反映出多天線設備的波束能力。綜上兩方面原因，鑒于傳導方法對測試大規(guī)模天線設備的局限性以及毫米波大規(guī)模天線設備自身的性能要求，在對毫米波多天線設備進行性能評估時將采用空口測試方法，其輻射天線直接用作測試接口。

毫米波設備的輻射測試對象主要為設備的發(fā)射機和接收機。發(fā)射機測量主要關注輸出功率、調制能力與非期望輻射等。接收機測量，主要關注接收信號解調能力測試。對無線資源管理的測試，主要關注初始系統(tǒng)接入、連接配置、移動性和切換、波束捕獲、細化和跟蹤等[3]。本文主要關注的是對毫米波多天線設備的系統(tǒng)性能測試，即對系統(tǒng)吞吐量的評估。

1 輻射測試方法及可行性分析

1.1 混響室法

混響室是一個封閉的金屬腔體，內部通常配備有金屬攪拌器和轉臺，可以用來表征單天線系統(tǒng)的特征，如總輻射功率(Total Radiated Power，TRP)和總輻射靈敏度(Total Radiated Sensitivity，TRS)。通過混響室法可以在金屬腔內模擬具有統(tǒng)計各向同性的空間角分布和信道為瑞利衰落的多徑環(huán)境。然而，混響室法自身存在一定的局限性：首先，該方法對信道功率時延譜(Power Delay Profile，PDP)和多普勒擴展的模擬是有限的，需要結合信道模擬器才能得到期望的PDP和多普勒擴展[5]；其次，混響室內的統(tǒng)計各向同性決定了重構的信道具有相等的垂直極化和水平極化特征，所以該方法無法控制信道的空間角分布和交叉極化比(Cross-Polarization Power Ratio，XPR)，即無法用于極化分集的場景；另外，毫米波信道的傳播路徑主要由少數幾條構成[3]，使得真實目標信道在接收天線空間域的方向性并非各向同性，而在暗室中模擬的信道環(huán)境并不符合這一特點。綜上所述，該方法不能在空間域內按照目標信道模型的特征對其進行準確可控的重構。所以，混響室法并不適用于毫米波系統(tǒng)的OTA性能測試。

1.2 輻射兩步法

輻射兩步法是一種基于暗室的測量方法。該方法由兩個階段組成：在第一階段中，通過常規(guī)單輸入單輸出(Single-Input Single-Output，SISO)OTA暗室獲得DUT天線單元的方向圖信息；第二階段將測量到的輻射方向圖嵌入到信道模擬器的空間信道模型中，進而生成衰落信號以便被暗室中的DUT接收。包含DUT天線陣子方向圖的空間衰落信號通過OTA天線輻射至DUT天線，并且每個DUT天線對應一個OTA天線。通過該方法可以測量出OTA天線與DUT天線之間的傳輸矩陣，以計算逆?zhèn)鬏斁仃噷y試信號進行預編碼。最初兩步法是采用線纜的傳導連接方式，故而稱之為傳導兩步法。然而在使用過程中該方法無法對待測設備天線陣子間的自干擾進行評估，所以文獻[6]將其修正為輻射測試方式，稱為輻射兩步法。相比于傳導兩步法，輻射兩步法不僅考慮到了DUT天線間的自干擾，并且在評估系統(tǒng)吞吐量的過程中無需對待測設備進行拆解，保證了待測設備的完整性和測試方法的便利性。

輻射兩步法是一種很有應用價值的靜態(tài)毫米波天線測試方法，目前第三代合作伙伴計劃(the 3rd Generation Partnership Project，3GPP)正在對有關工作進行討論。然而，由于無法將第一階段得到的被測天線方向圖根據信道的變化及時做出改變以應用到第二階段中[4]，所以該方法并不適用于動態(tài)信道的OTA測試。并且在輻射兩步法中，OTA天線的數量必須大于或等于DUT天線單元的數量，致使測試系統(tǒng)成本較高。綜上，采用輻射兩步法評估配備大規(guī)模天線的毫米波系統(tǒng)的性能是難以實現的。

1.3 多探頭暗室法

無線信道中具有相近時延和離開角/到達角的多徑分量可歸為同一簇。在多探頭暗室法(Multi-Probe Anechoic Chamber，MPAC)中，將信道衰落模擬器生成的每一個簇通過多個探頭輻射出去，從而在暗室測試域內模擬所需的輻射傳播環(huán)境。MPAC主要包括預衰落信號合成法(Prefaded Signals Synthesis，PFS)和平面波合成法(Plane Wave Synthesis，PWS)。通過這兩種方法均可以在暗室測試域內生成統(tǒng)計特性相同的輻射傳播環(huán)境。然而這兩種方法的實現原理并不相同，PWS方法注重對簇內每條子徑進行重構，是對具有特定到達角、多普勒頻移和幅度的單一平面波進行合成，探頭權重為復數；PFS方法則針對簇的整體，側重于重構每一個簇的空間特征，且添加的探頭權重為實數。所以，采用PFS信道重構方法，基本合成對象為單一的簇，其主要特征參數包括空間相關性、時延功率譜、多普勒頻譜、交叉極化比等。

相比于PWS方法，PSF方法對于測試系統(tǒng)各個鏈路的相位一致性要求較低。然而，由于大規(guī)模MIMO設備的天線單元眾多且射頻器件自身受非線性效應的影響，很難對每個探頭天線進行嚴格的相位校準。所以，在MPAC方案中，PFS法成為模擬毫米波目標信道的主流方法。但是，為了產生一個足夠大的測試域以測試具有更大口徑的毫米波大規(guī)模天線設備的性能，需要增加OTA天線和相應的信道模擬器通道的數量，這將增大測試系統(tǒng)的成本。因此，如何基于PFS方案準確重構毫米波信道及合理構建OTA測試系統(tǒng)是本文的研究重點。

圖1 基于帶寬合并的毫米波信道模擬器

2 毫米波信道特征及其對OTA測試系統(tǒng)的影響

2.1 大帶寬

相比于Sub-6 GHz信道，毫米波信道具有更大的帶寬。信道模擬器作為無線通信測試的重要組成單元，通常用于產生發(fā)射機和接收機之間的無線信道，即真實無線傳播環(huán)境可通過在信道模擬器中進行數學建模以完成物理實現。因此，信道模擬器被視為OTA測試系統(tǒng)必不可少的試驗設備。然而，目前可商用信道模擬器通常為產生Sub-6 GHz信道而設計，可支持帶寬有限。例如，文獻[5]分別描述了最大支持帶寬為50 MHz、100 MHz和160 MHz的商用Sub-6 GHz信道模擬器。但為了構建毫米波OTA測試系統(tǒng)，迫切需要設計一款適用于毫米波頻段的信道模擬器。為了解決該問題，文獻[7]介紹了如何基于現有的Sub-6 GHz信道模擬器生成毫米波信道模擬器，以實現從Sub-6 GHz頻段到27.5～28.5 GHz的毫米波頻段的信道仿真。具體原理如圖1所示，混頻器和本振(LO)將信號從某個頻率范圍變換到另一個頻率范圍。為了擴展系統(tǒng)帶寬，信號在信道模擬器中被并行化處理。利用功率分配器、信道模擬器中的多個衰落單元和功率合成器，可以實現頻帶合并，進而通過上變頻以生成毫米波射頻信號?？梢钥吹?，為了產生毫米波信道，需要對OTA測試系統(tǒng)的結構進行匹配設計以滿足毫米波信道大帶寬的需求。

2.2 稀疏性

相比于Sub-6 GHz信道，通過多探頭合成毫米波信道時所需要的探頭數量相對較少。這是因為傳播信道是稀疏的，其中主要簇的數量相對有限且具有高度的空間選擇性。通過測量毫米波信道，發(fā)現非視線場景中簇的數量通常為6～10條，并且簇內部子徑的數量較少，可以忽略簇的角度擴展[8-9]。在Sub-6 GHz頻段的OTA測試系統(tǒng)中，可通過空間相關函數間接評估重構信道的角度功率譜(Power Angle Spectrum，PAS)。然而毫米波天線的方向性更強且毫米波信道高度稀疏，此時仍采用空間相關性準則評估OTA測試系統(tǒng)模擬的毫米波信道的性能將是不準確的[4]。所以，文獻[10-11]提出空間譜理論來評估重構信道的空間特征，而非使用間接性的空間相關性準則。待測多天線設備通過波束掃描探頭輻射的電磁信號直接得到重構信道的空間譜，在評估重構信道空間特征精度的同時以反映大規(guī)模多天線設備的波束賦形能力。另外，鑒于毫米波信道簇內角度擴展很小且可以忽略，簇的概念被進一步弱化。在OTA測試進行探頭選取時需要考慮該特征造成的影響，以盡可能減少探頭天線的使用。

2.3 動態(tài)特征

與Sub-6 GHz信道相比，毫米波信道具有高度的動態(tài)特征[12]。其主要原因有：在毫米波頻段下，波長很短，很小的運動都會改變多徑干涉的結構；天線陣列和波束形成器是毫米波設備的重要組成部分，在鏈路建立過程中，波束賦形必不可少，且自適應波束形成操作本身要求無線信道具有高度動態(tài)性；路徑增益對用戶或其他障礙物的阻塞非常敏感，進而導致不同多徑分量所觀測到的功率快速變化。綜上所述，準確重構動態(tài)信道環(huán)境，對評估毫米波頻段的大規(guī)模MIMO設備真實的端到端性能十分重要。對于毫米波信道，目標信道角度功率譜應該是時變的，且在重構毫米波信道時探頭的權重必須根據信道的變化進行實時更新?？紤]到動態(tài)毫米波信道較快的變化速度，計算探頭權重的方法應該是快速、高效的。文獻[12]描述了一種通過模擬信道空間譜計算探頭權重的方法，該方法無須進行優(yōu)化運算且計算速度較快，但缺點是需要對每個信道狀態(tài)下的空間譜進行計算。所以，研究一種靈活高效的重構毫米波信道的探頭加權方法將十分有必要。

圖2 基于開關單元的毫米波OTA測試系統(tǒng)

2.4 球面波前和非平穩(wěn)性

測量毫米波頻段下大規(guī)模MIMO信道發(fā)現，到達大型天線陣列的電磁信號將是球面波前且非平穩(wěn)的[13]。其原因：第一，在毫米波通信系統(tǒng)中，發(fā)射機和接收機之間的距離可能小于Rayleigh距離，不滿足等效平面波前近似的遠場條件；第二，某些簇在整個陣列上是不完全可見的，即大規(guī)模天線陣列的每個天線單元可能觀測到屬于自己的一組簇；第三，天線陣的功率不均衡和Rician分布中K因子發(fā)生變化?；谶@三個因素，毫米波信道不同于Sub-6 GHz信道，對暗室中重構的信道特征提出了更復雜的要求。除了電磁波球面波前，陣列非平穩(wěn)性是指從一個天線陣元到下一個天線陣元發(fā)生出現或消失簇的現象，這意味著不同天線陣元可觀察到不同的簇集。所以，不同天線單元觀測到的簇的參數不一樣，如功率和延遲偏移。因此，OTA暗室重構毫米波大規(guī)模MIMO信道需要考慮真實外場信道特征，即確保電磁信號到達DUT天線陣子是球面波前且非平穩(wěn)的。

2.5 簇的生滅

通過對毫米波信道進行實際測量發(fā)現，毫米波信道中存在簇的生滅現象，即不同時刻簇的出現或消失[13]。不難想象，毫米波信道的這種現象將對多天線設備的OTA性能測試帶來巨大挑戰(zhàn)，即在OTA暗室模擬毫米波動態(tài)信道過程中，要求信道模擬器重構簇的生滅過程，對信道模擬器的調控工作提出了較高要求，同時也將對毫米波OTA測試系統(tǒng)的結構帶來重大影響。除此之外，探頭天線的位置/權重也需要根據簇的生滅做出實時改變，以適應簇的生滅特性。

3 毫米波大規(guī)模天線OTA測試系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)模型

3.1.1 基于開關結構的毫米波OTA測試系統(tǒng)

文獻[4]和文獻[12]提出了一個配備開關單元的三維扇形MPAC系統(tǒng)以用于測試毫米波天線設備的性能。該系統(tǒng)如圖2所示，由一個覆蓋有吸波材料的暗室、若干個分布在扇形探頭墻上的OTA天線、一個可將信道模擬器輸出端口有選擇性接入到OTA天線的開關單元、一個毫米波信道模擬器和一個作為DUT的毫米波基站組成。以上行通信鏈路為例介紹其工作原理：首先，用戶模擬器生成一個測試信號，該信號被饋送到毫米波信道模擬器。信道模擬器可用于生成多徑信道環(huán)境，包括路徑延遲、多普勒擴展等。進而，信道模擬器生成的信道脈沖響應與測試信號進行卷積。為了在DUT側準確模擬目標信道的空間特征，需要將信道模擬器產生的衰落信號映射到恰當的OTA天線上以在暗室中生成輻射信號。所以，放置在測試域的DUT可在預期的信道環(huán)境中運行工作，且該方法是可控、可重復的。

開關電路作為OTA測試系統(tǒng)重構毫米波信道的關鍵單元，通常假定其可在每個時刻進行自由切換，而不產生任何失真。實際上，重構動態(tài)毫米波信道環(huán)境對機械繼電器開關提出了較高的性能要求。具體地，文獻[14]已通過高性能可重構射頻(Radio Frequency，RF)電路對機械繼電器開關進行了性能測試，其主要存在的問題有：第一，從低頻變化到高頻，開關隔離度逐漸降低，設備的插入損耗也隨之增加；第二，在開關切換過程中，斷開任何空閑的傳輸線都可能在微波范圍內發(fā)生諧振，該諧振可將電能反射到工作中的RF電源，進而將其損壞；第三，機械開關在動態(tài)信道的每個時刻只使用了探頭墻上部署的部分探頭天線，造成硬件資源浪費?；谝陨显?，為了準確評估毫米波多天線設備的性能，實際OTA測試對開關單元提出了較高的設計要求，帶來實際應用的困難和挑戰(zhàn)。具體地，文獻[15]已對基于開關單元的毫米波OTA信道重構系統(tǒng)的性能進行了詳細的分析描述。

3.1.2 基于調幅調相單元的毫米波OTA測試系統(tǒng)

鑒于機械繼電器開關存在的以上問題，文獻[15]提出了一種基于新型調幅調相(Amplitude-and-Phase Modulation，APM)單元的OTA測試系統(tǒng)以用于評估毫米波大規(guī)模MIMO設備的性能。與機械開關相比，APM單元的優(yōu)點可以概括為：第一，輸入端口和輸出端口之間的交叉鏈路相互獨立，可以對每一條鏈路的復權值進行數字調整，且調整過程中不存在諧振現象；第二，在數字切換過程中只需改變射頻通道的幅度和相位，不存在機械開關在切換過程中的干擾問題；第三，附加的射頻線將會造成不同鏈路的幅度和相位存在誤差，而APM單元具有自動校準功能可以平衡射頻線引起的誤差；第四，時鐘校準是APM單元的另一個重要功能，可以做到與信道模擬器同步，在重構動態(tài)毫米波信道過程中可精確調整APM單元內部的權值。

基于APM單元的MPAC測試系統(tǒng)如圖3所示，DUT被放置在暗室測試域的中心位置，探頭墻上的每一點到測試域中心的距離均為R。使用全連接的APM單元代替開關設備，通過APM單元對每一路輸入輸出通道的幅度和相位進行調節(jié)。在上行通信鏈路中，APM單元的每個輸出口連接到每一個探頭天線，信道模擬器的每個輸出口連接到APM單元的輸入端口，系統(tǒng)末端連接用戶模擬器。需要注意的是，為了保證系統(tǒng)正常運行，信道模擬器的每一輸出口只輸入單個簇的沖激響應，即簇的數量不應大于信道模擬器輸出端口的數量[15]?？紤]到毫米波信道簇的數量通常為8～12條[16]，所以該約束限制對重構非視距毫米波信道是十分合理的。此外，用于合成目標簇的OTA天線分別映射有獨立的衰落系數序列，且服從相同分布。在此需要強調的是，在對APM單元的幅度相位進行調制時精度誤差可能會影響模擬信道的精度，需要進一步研究該誤差帶來的影響并加以消除。此外，由于AMP單元的引入，勢必會給測試系統(tǒng)引入新的誤差以及不確定度。因此，在對測試系統(tǒng)進行指標驗證的時候，除了對測試區(qū)域內部的時間相關性、空間相關性等指標進行驗證之外[17]，也需要對APM單元的動態(tài)幅相調制能力進行檢驗。

3.2 毫米波信道重構評估準則

3.2.1 空間相關性準則

通過空間相關性可用來表征入射信號達到不同接收天線之間的相似性，能夠反映出天線之間的空間特征[18]。所以，評估OTA重構信道的精度通常選取空間相關性作為度量準則，最小化目標信道和模擬信道之間的空間相關性偏差方程進而確定探頭權重。然而，空間相關性將無法作為度量準則以用于毫米波大規(guī)模天線的OTA測試系統(tǒng)，主要原因如下：首先，相比于UE終端，大規(guī)模多天線設備通常具有更大的物理尺寸，進而需要較大的測試域且在測試域內采集更多的空間位置。而如果空間采樣數量有限，不同PAS的簇將產生相近的空間相關性[18]，造成信道重構的不準確。其次，在評估毫米波多天線設備的性能過程中不僅需要對重構的目標信道進行準確度量，同時需要反映大規(guī)模多天線陣列的特性，如波束的捕獲、跟蹤能力等。再次，考慮到多天線系統(tǒng)更具方向性且毫米波信道的高度稀疏性，空間相關性與PAS將不完全相關，所以該準則無法準確反映重構的毫米波信道性能[4]?；谝陨显?，需要研究新的信道重構評估準則，在評估模擬的動態(tài)毫米波信道的同時能夠反映大規(guī)模多天線設備的波束賦形能力。

圖3 基于APM單元的毫米波測試系統(tǒng)原理圖

3.2.2 空間譜準則

由于UE較小的陣列孔徑和有限的碼本集，其通常不具備波束控制功能。而在毫米波頻段對大規(guī)?；咎炀€陣的控制通常使用混合波束賦形技術，其中天線陣列被分成若干個子陣列，每個子陣列連接到一個RF端口[3]。子陣列的可調相位可由模擬加權向量進行調控，以產生一組預定義的固定天線波束進而覆蓋目標區(qū)域。所以，準確評估毫米波天線設備的波束賦形能力是選取OTA測試系統(tǒng)性能指標的重要依據。鑒于毫米波信道的稀疏性以及需要對大規(guī)模MIMO設備的波束賦形能力進行評估，基于空間譜的信道重構度量準則已經在文獻[10-11]中進行了詳細的闡述。通過該度量準則不僅能夠直接表征重構目標簇的PAS，同時能反映出DUT的空間分辨率。該準則利用經典Bartlett波束形成算法和虛擬的DUT陣列來估計重構信道的PAS[19]，其原理是通過DUT陣列的有限孔徑過濾傳播信道的空間角分布。具體來講，空間譜是對天線陣列所觀測到的信號功率的量度。在目標簇方向上得到的空間譜為陣列天線產生的最大接收功率，而空間譜在其他方向的值可以理解為陣列在目標簇方向產生的旁瓣對其他方向的干擾。此外，由于空間譜可用于對目標信號的DoA估計，模擬空間譜的精度同時決定了DoA估計的精度，這對評估大規(guī)模MIMO天線陣列的性能至關重要。因此，通過優(yōu)化目標信道空間譜與模擬信道空間譜之間的偏差方程可以提高信道重構和DoA估計的精度。

3.3 探頭權重的快速計算

為了在測試域內重構目標信道的PAS，需要將目標信道的每個簇依次映射到一組有源探頭天線上。映射是通過將簇的衰落信號輻射到每個活躍的探頭天線上并通過設置探頭的權重進行執(zhí)行。對于動態(tài)毫米波信道，目標信道的PAS是時變的，必須根據信道的變化實時更新探頭天線的權值。因此，計算探頭權重的方法也應該是快速高效的。文獻[12]介紹了一種較為有效的方法，旨在最小化目標信道對應的空間譜和DUT陣列所觀察到的模擬信道空間譜之間的偏差。這種權重計算方法在確定每個時刻的探頭權重時無需做任何數值優(yōu)化，計算復雜度較低。但其缺點是首先需要計算出任意時刻的空間譜，然后對其進行分解以求出探頭權重。該方法適用于信道特征變化較慢的動態(tài)信道，但對于快速變化的毫米波信道環(huán)境，需要不斷計算每一時刻的空間譜以確定探頭權重，使得計算量增大。所以，構建一個探頭權重隨動態(tài)信道變化而隨之改變的表達式，即權重與每一時刻的信道特征參數直接相關，可直接由任意時刻的信道參數確定待定的探頭權重，具有重要意義。

4 結束語

本文以毫米波大規(guī)模天線的 OTA測試為研究目標，旨在實現毫米波信道的準確重構以評估毫米波設備的性能。首先，介紹了不同輻射測試方法的原理及用來評估毫米波多天線設備存在的優(yōu)缺點。其次，分別對毫米波信道特有的特征，即大帶寬、稀疏性、動態(tài)性、簇的生滅和球面波前和非平穩(wěn)性進行了介紹，進而分析其對構建毫米波OTA測試系統(tǒng)架構和信道重構算法的影響，著重討論了幾個重點需要解決的問題，如支持大帶寬的毫米波信道模擬器的實現、有效探頭位置的選取、毫米波信道動態(tài)特征的復現以及毫米波信道評估準則的選取等。最后，鑒于毫米波信道的稀疏性及需要評估大規(guī)模天線陣的波束賦形能力，提出空間譜將是一種更有效的毫米波信道評估準則，而非傳統(tǒng)OTA測試中通常采用的空間相關性準則。