5G终端MIMO OTA测试方法研究现状与展望

马楠,，余菲，杨晓丽，许晓东，张治

专题：移动通信（5G）测试

5G终端MIMO OTA测试方法研究现状与展望

马楠1,2,3，余菲1，杨晓丽1，许晓东4，张治1

（1. 北京邮电大学网络与交换技术国家重点实验室，北京 100876； 2. 中国电子科技集团公司数据链技术重点实验室，陕西 西安 710068； 3. 无线通信测试技术北京市重点实验室，北京 100102； 4. 北京邮电大学移动互联网安全技术国家工程实验室，北京 100876）

MIMO（multi-input multi-output）OTA（over-the-air）测试是评估天线系统辐射性能的重要方法，也是设备在研发、生产阶段必经的步骤之一。随着5G移动通信系统的到来，毫米波等新特性的引入，为传统MIMO OTA测试方法带来了新的挑战，也使得OTA测试成为5G毫米波终端唯一可行的测试解决方案。首先论述了5G OTA测试所面临的挑战，分析了4G移动通信系统OTA测试方法在5G OTA性能测试中的适用性，并探究了如何将低频测试方法扩展到毫米波终端测试。然后总结了3GPP对于MIMO OTA测试的研究现状，详细阐述了简单扇形排列的多探头吸波暗室（simple-sectored multi-probe anechoic chamber，SS-MPAC）的系统模型、测试原理以及性能评价指标等，并验证了SS-MPAC配置中利用更少的探头仍可以获得合理的测试精度。最后对未来的研究趋势进行了展望。

5G；多天线终端；SS-MPAC；空口测试

1 引言

为了满足网络社会的需求，5G移动通信系统在网络容量、数据速率和时延等方面将带来革命性的改进，显著提高网络的灵活性和效率。毫米波（mmWave）和大规模 MIMO（multi-input multi-output）等5G的关键技术[1]，在显著提高通信系统的数据吞吐量和频带利用率的同时，其应用也带来了诸多挑战。首先，相对于6 GHz以下频段，毫米波信号的路径损耗与衰减更大。一方面是由于理论上自由空间的电波传播损耗与工作频率的平方成正比；另一方面，氧气、水蒸气对毫米波信号的吸收衰减更大。此外，毫米波信号绕射，穿透能力差，反射效应强，毫米波信道的角度扩展更小，功率空间分布更集中，信号传输过程中障碍物对其的阻碍效应也更为明显。为了克服毫米波信号传输过程中面临的上述挑战，5G毫米波终端将天线阵列与波束成形（beamforming）技术[2]相结合，通过引入天线阵列增益增加设备的等效全向辐射功率（effective isotropic radiated power，EIRP）以克服毫米波频段的高路损，并通过自适应波束成形算法实时优化阵列中每个天线单元馈入信号的幅度和相位权值，控制波束指向期望的辐射方向，从而实现波束的扫描及覆盖。其次，5G系统充分利用无线电信号的传播空间特性，传播模型从二维（2D）水平面拓展到三维（3D）。因此，4G移动通信系统采用的2D信道模型不再能够很好地描述信号的传播特性，采用3D信道模型可以为5G多种应用场景提供支撑，但也使测试的信道复现过程变得更加复杂。

5G时代的测试原理及测试技术也面临革命性的变革[3]。5G毫米波终端将采用封装天线（antenna-in-package，AiP）解决方案，这种多通道射频模块与天线阵列深度融合的系统架构意味着天线与射频链路之间没有可连接仪器的测试端口，天线辐射特性指标与射频指标无法分别独立测试[4]。因此，空口（over-the-air，OTA）测试将取代传统的传导测试，成为5G终端唯一可行的测试解决方案[5]。基于信道模拟器的MIMO OTA测试可以在实验室内通过模拟目标信道功率谱、极化、时域和频域等方面的特性，使被测设备（device under test，DUT）仿佛置身于真实的信道环境中。在不需要对DUT进行任何破坏和有线连接的情况下，提供了一个可控、可调试和可重复的测试环境。采用MIMO技术的移动终端需要通过测试评测用户通过移动终端访问数据业务时的性能，而MIMO OTA测试可以针对移动终端设计中的所有关键部分，包括天线、射频前端、基带处理单元等，进行全面测试。因此，探究适用于5G终端的MIMO OTA测试方法至关重要。

2 MIMO OTA测试研究现状

2.1 4G MIMO OTA测试方法对于5G终端测试的适用性

此前针对4G终端的OTA测试提出的3种OTA测试方法[6]分别为：混响室（reverberation chamber，RC）法[7]、辐射两阶段（radiated two-stage，RTS）法[8]和多探头吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）法[9]。

混响室是一个配备模式搅拌器（stirrer）和转台的封闭金属腔，其原理是通过运行模式搅拌器对电磁波进行扰动，从而在工作区域（working volume）内产生大量具有随机相位的信号，模拟出瑞利衰落环境，从而对DUT进行测试。采用RC法可以有效地分析与角度扩展无关的天线辐射参数，广泛应用于电磁兼容性测试、SISO（single-input single-output）OTA天线辐射性能测试及吞吐量性能测试，其缺点是无法准确模拟空间角度。由于在毫米波频段上的信道具有高度稀疏的特点，因此该方法不适合对5G 终端进行测试。

RTS方法是第三代合作伙伴计划（the 3rd Generation Partnership Project，3GPP）、美国无线通信和互联网协会（Cellular Telecommunication and Internet Association，CTIA）、中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）等国际国内标准化组织批准的MIMO OTA测试方法[10]。该方法的基本原理是将OTA测试分为两个步骤[11]：第一步获取DUT的天线方向图，第二步根据测量得到的天线方向图求解校准矩阵的逆矩阵，然后应用测量到的方向图和逆矩阵进行吞吐量测量。参考文献[12]分析了将RTS方法扩展到5G设备的可行性，证明了其对于毫米波终端测试的局限性，该方法的缺点主要有两方面：首先，它只适用于静态毫米波天线的测试，在动态信道条件下DUT的天线方向图很可能会发生改变，因此它不适用于动态信道条件下的测试；其次，该方法所需的OTA探头天线的数量等于DUT上的接收天线数量，导致系统成本随着天线数量的增加而显著增长。

图1　不同频率下构造一定大小的测试区域所需的探头数

由图1可以看出，为了模拟高频信道环境以及创建出更大的测试区域，测试系统可能需要大量的探头才能满足需求。此外，由于5G应用场景更加复杂，信道模型由二维扩展为三维，在毫米波频段下，无法用传统的二维MPAC方法模拟出三维信道环境。因此，直接将MPAC方法扩展到毫米波频段的测试并不可行。

综上所述，现有4G MIMO OTA测试方法并不适用于毫米波频段的测试，找到适合毫米波终端的OTA测试方法是目前亟待解决的问题。

2.2 3GPP MIMO OTA测试研究现状

目前3GPP已经逐步对5G OTA测试进行了标准化：参考文献[14]对0.5～100 GHz频率的信道模型进行了研究，其中规定了毫米波终端测试适用的信道模型，参考文献[15]规定了5G新无线电（new radio，NR）的用户端射频（radio frequency，RF）、无线资源管理器（radio resource management，RRM）和解调等的OTA测试方法，为了进一步测试多天线用户设备的接收性能，参考文献[16]定义了5G运行的两个频段：（1）450～7.125 GHz为频率范围1 （frequency range 1，FR1）；（2）24.25 ～52.6 GHz为频率范围2（frequency range 2，FR2），并验证了FR1和FR2频段下进行MIMO OTA测试的辐射指标和端到端测试方法。其中，MPAC和RTS方法已在标准中被认定为5G FR1的测试方法。此外，简单扇形排列的多探头吸波暗室（simple-sectored multi-probe anechoic chamber，SS-MPAC）法也被确定为毫米波5G终端的测试方案。

2.2.1 FR1测试方法

对于低频 MPAC OTA系统，允许采用16个等间距双极化探头配置进行测试，适用于最多采用4×4 MIMO且大小在20 cm内的设备，对于大小超过20 cm的设备，其测试方案仍待进一步研究。研究结果表明测试距离可以不满足远场要求，在测试区大小为20 cm时测试距离只需大于1.2 m即可。

FR1频段下的MIMO OTA测试模拟的信道传播环境为二维无仰角模型，与参考文献[15]中确定的基准信道模型相比，参考文献[16]更新了不同场景下的信道参数：采用城市宏小区信道模型进行2×2 MIMO终端的测试，采用城市微小区测试4×4 MIMO终端。

2.2.2 FR2测试方法

根据参考文献[16]，进行毫米波 MIMO OTA测试的SS-MPAC系统配置如图2所示，在距离测试区域中心最小半径为0.75 m的扇区上放置6个双极化探头（由图2中的黑色圆点表示）组成的SS-MPAC系统可用于5G毫米波终端测试，每个探头的位置在信道模型坐标系下的坐标见表1。SS-MPAC系统目前支持的最大测试区域大小为20 cm。

对于MIMO OTA测试来说，实际SS-MPAC系统的校准和SS-MPAC配置中仿真信道模型的验证是必要的过程。信道验证测试的目的是确保目标信道模型在测试区域内能够正确实现。FR1信道模型验证测试主要包括功率时延分布（PDP）、多普勒/时间自相关函数、空间相关性、交叉极化、功率验证；FR2信道模型验证与FR1的不同之处在于去掉了空间相关验证，新增了PAS总变距指标。

图2 进行毫米波 MIMO OTA测试的SS-MPAC系统配置

表1 SS-MPAC中的探头位置

3 针对5G毫米波终端的MIMO OTA测试方法

在毫米波频段下，终端测试的挑战之一在于如何用更少的OTA探头和信道模拟器实现一个足够大的测试区域。由于毫米波频段下信道高度稀疏且具有很强的反射性，并且信道被通信链路另一端的波束成形操作过滤后会使终端所处的毫米波信道更具有指向性，因此用有限数量的探头构成的SS-MPAC配置，可以在降低系统成本的同时再现目标三维信道模型；同时，由于可以自由选择有源探头，因此保留了再现真实、动态信道模型的能力。本节将进一步分析SS-MPAC的系统模型、目标信道与SS-MPAC配置的信号模型、SS-MPAC信道重构方法以及相应的系统性能评价因子。

3.1 SS-MPAC系统模型

图3　SS-MPAC系统模型示意图

3.2 目标信道与SS-MPAC配置的信号模型

3.3 SS-MPAC信道重构方法

参考文献[18]中介绍了两种不同的信道重构方法，分别为平面波合成（plane ware synthesis，PWS）和预衰落合成（prefaded signal synthesis PFS）技术，参考文献[19]针对这两种方法对SS-MPAC的适用性进行了比较，证明了PFS比PWS更准确，并且PWS属于相干合成技术，需要对系统内多个探头的辐射功率和相位进行精确校准，因而目前SS-MPAC基本采用PFS方法。

预衰落合成技术基于多径信道模型中“簇”的概念，针对每簇信道响应的统计特征，控制暗室内测试探头使得其辐射信号的统计特性与经历目标信道环境衰落后的信号统计特征一致，如平均功率时延、多普勒频谱、垂直水平极化比等。每簇信道都具有一定的来波角度分布，通常使用中心来波角、角度扩展等参数描述其平均功率随入射角度的分布，也称功率角度谱（power azimuth spectrum，PAS），因此为了这种角度散布效果，系统需要使用多个不同方位角度的探头，其中各个探头福射信号统计独立，且分布特性均与目标簇信道的统计特征相同，同时通过优化控制多个探头的发射功率权值模拟目标簇信道功率随方位角度散布的特征。在某种程度上，可理解为系统使用离散的、有限个探头对目标信道连续的功率角度谱进行了“采样”和“再现”。由于信道的角度功率谱与衡量测试精确度的评价指标密切相关，因此预衰落合成技术最关键的环节就在于优化探头的发射权值精确模拟预期信道模型的来波角和角度扩展等功率角度谱特性[20-21]。

3.4 系统性能评价因子

任何测试系统或测试方法都需要特定的评价指标评估测试的准确度，目前对于5G 毫米波终端测试的评价因子主要有以下5种[22]。

（1）空间相关误差（spatial correlation error）

该评价因子通过计算OTA配置中特定测试区域内的空间相关性误差，间接地评估再现的PAS与目标PAS之间的偏差。该指标对于低频段 MIMO OTA测试至关重要。由于毫米波频段将更关注波束选择过程，因此空间相关指标对于毫米波测试显得没有那么重要。但需要指出，当相关系数接近于1时，即使计算出的偏差很小也会对空间复用性能等指标产生很大的影响；而在相关系数本身的值就很小的情况下，即使产生很大的误差也不会对系统性能造成很大的影响。因此通过加权可以对不同大小的相关值区别化处理，使计算出的误差更加精准。

（2）波束峰值距离（beam peak distance）

波束峰值距离是指波束的概率加权平均方向之间的角距离，该角距离以度为单位，计算式可表示为：

（3）波束分布总变化距离（total variation distance ofbeam allocation distributions）

波束分布总变化距离与波束峰值距离一样，都属于波束选择性指标，计算二维波束分布总变化距离的计算式为：

（4）固定波束功率损耗（fixed beam power loss）

（5）PAS总变化距离（total variation distance of PAS）

该评价因子用于评估OTA配置重建目标PAS的能力，目前在3GPP中已被广泛讨论[16]，是一项重要的信道仿真精确度评价指标。功率角度谱的总变化距离定义如下。首先，利用经典的Bartlett波束形成器和假设的DUT阵列来估计PAS，这相当于利用DUT阵列有限的孔径对传输信道的实际功率角度分布进行滤波。对理论参考模型进行PAS估计可以通过以下计算式计算：

图4　CDL-B信道模型下的角度功率谱对比

4 MIMO OTA测试前景展望

目前3GPP对于5G MIMO OTA测试系统配置的设计都是基于“黑盒”法，即DUT天线阵列信息未知，假设天线阵列覆盖整个终端。而实际上DUT内的天线只会放置在终端内某几个大小有限的位置上，如果将整个被测物都视为天线阵列会忽视天线阵列偏移对测试的影响，并且可能会为测试系统带来不必要的硬件成本。对此，Spirent在已知DUT内天线阵列信息的假设下比较了摆放在不同位置天线对于测试性能的影响[23]，该提案证明了在同一个信道模型和缩放场景下，不同位置天线阵列中计算出的PAS相似百分比差异很大。随后，Keysight在参考文献[24]中讨论了DUT偏移对于性能因子的影响，并在参考文献[25]中比较了“白盒”法与“黑盒”法对测试方法的影响。考虑到“白盒”法为测试性能的提升带来的潜力，或许可以成为进一步研究的方向。由于目前测试系统仅能测试尺寸在20 cm内的设备，对测试大于20 cm的设备还需要进一步研究。

从研发到一致性测试、生产、安装和维护，测试系统在5G设备的开发和验证过程中起着至关重要的作用。为了评估多天线终端的辐射性能需要对设备进行MIMO OTA测试，但在5G NR系统中应用毫米波频率、可控阵列、有源波束成形等技术会使终端设备的测试面临新的挑战。而且，由于毫米波的引入，5G终端的天线将是小型且高度集成的单元，因此OTA测试成为5G终端唯一可行的测试方法。本文针对MIMO OTA测试方法进行了相关研究，首先讨论了4G OTA测试方法对于5G终端测试的适用性，虽然其中的MPAC方法和RTS方法适用于5G低频段终端测试，但如果扩展到毫米波频段仍存在许多挑战。随后通过对相关文献的综述，分析了5G毫米波终端在信道环境、系统配置等方面的测试需求，并从系统模型、测试原理、系统性能评价因子方面详细阐述了目前毫米波终端MIMO OTA测试方法。最后，基于3GPP的标准化进程，总结了MIMO OTA测试的研究现状，并对未来的研究方向进行了展望。由于目前对于5G OTA测试的大部分研究工作仍在理论分析阶段，为了确定未来毫米波终端测试解决方案，仍需要进行实际的测试验证。

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Research status and prospect of MIMO OTA test methods for 5G terminals

MA Nan1, 2, 3, YU Fei1, YANG Xiaoli1, XU Xiaodong4, ZHANG Zhi1

1. State Key Laboratory of Networking and Switching Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China 2. Key Laboratory of Data Link Technology, CETC, Xi’an 710068, China 3. Beijing Key Laboratory of Wireless Communication Testing Technology, Beijing 100102, China 4. National Engineering Laboratory for Mobile Network Technologies, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China

MIMO (multi-input multi-output) OTA (over-the-air) testing is an important method to evaluate the radiation performance of the antenna system, as well as an indispensable step of research & development (R&D) and mass production stages. With the advent of the 5G mobile communication system, the introduction of millimeter wave (mmWave) and other new technologies brings new challenges to the traditional MIMO OTA test method, and meanwhile makes OTA testing the only feasible solution for testing future 5G devices. Firstly, the challenges faced by 5G OTA testing was described. Then the applicability of the 4G mobile communication system OTA test method to the 5G OTA performance test was analyzed, and how to extend the low-frequency test method to the mmWave terminal test was studied. Then the current status of 3GPP’s research on MIMO OTA testing was summarized, and the system model, test principle, and performance evaluation indexes of simple-sectored multi-probe anechoic chamber (SS-MPAC) were explained in detail. In addition, smaller setup sizes can still yield reasonable measurement accuracy was verified. Finally, future research trends were prospected.

5G, multi-antenna terminal, SS-MPAC, over-the-air testing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2021035

2020−11−16；

2021−02−07

国防基础科研计划资助项目（No.JCKY2017210A001）

Defense Industrial Technology Development Program (No.JCKY2017210A001)

马楠（1979− ），男，博士，北京邮电大学讲师，中国电子科技集团公司数据链技术重点实验室流动研究人员，无线通信测试技术北京市重点实验室主任，主要研究方向为无线通信测试技术、物联网。

余菲（1996− ），女，北京邮电大学硕士生，主要研究方向为无线通信测试技术。

杨晓丽（1990− ），女，北京邮电大学博士生，主要研究方向为无线通信测试技术。

许晓东（1980− ），男，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为无线组网及通信测试技术。

张治（1977− ），男，博士，北京邮电大学教授，主要研究方向为无线信号智能检测与高效通信技术。