面向汽车的MIMO OTA测试技术

李雷，魏贵明，姜国凯，冯家煦，吴翔

专题：移动通信（5G）测试

面向汽车的MIMO OTA测试技术

李雷1，魏贵明1，姜国凯2，冯家煦2，吴翔1

（1.中国信息通信研究院，北京 100191；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

汽车智能网联是当前交通产业发展的主要方向之一。通过汽车与周围车辆、行人、交通设施、蜂窝网络进行信息交互，提升交通网决策管理智能化水平，改善道路安全与效率。如何定量精确地评估整车通信性能是业界关注的热点问题，然而目前尚缺少成熟的解决方案，特别是面向整车产品。主要研究了基于多探头吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的汽车空口测量系统的搭建方法，并针对整车空口测试提出了一种低成本解决方案，可以在信道模拟器数字通路受限的情况下，通过数字变换，成倍拓展测试区域。数字仿真结果表明，基于此方案所构造的测试区域，其空间相关性、时间相关性均满足相关标准要求。

汽车空口测试；多探头吸波暗室；空间相关性；时间相关性

1 引言

多输入多输出（multi-input multi-output，MIMO）通过在收发两端配置多路天线，基于合适的空时编码技术，可以在相同的时频资源上传输多流数据，从而成倍地提升系统的频谱效率，是长期演进（long term evolution，LTE）和新空口（new radio，NR）接入网络的核心物理层技术之一。MIMO系统实际性能表现主要与3方面有关：无线传输环境、收发信机基带算法和多天线设计。移动通信的复杂空口给硬件和算法设计带来了严峻挑战。为了准确评估MIMO系统的实际性能表现，便于产品快速优化，无线通信工程师希望在实验室中复现外场的无线传输环境，然后定量地考查基带和天线的整体性能。这首先涉及无线环境的数学建模，根据参考文献[1]，无线信号从发送端到接收端经历的衰落可分为两类：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落包括路径损耗和阴影衰落，主要影响接收信号的功率大小；小尺度衰落包含多径和多普勒，导致时间和频率选择性衰落，影响基带解调性能。多径是无线信号在空间、时间、极化等维度上的延展，可以用多径时延谱、空间角度功率谱、多普勒频偏功率谱、极化泄露比等进行数学描述。一种典型的建模方法是基于随机几何的空时信道模型，如WINNER模型。实际信号传输中，可能在散射体之间发生多次反射，为了增强数学模型可塑性，空时信道模型忽略中间反射过程，只对首尾散射体进行建模。一种在实验室中复现这种信道模型的方法如图1所示，将多个天线探头放置在被测设备周围，模拟真实环境下来自不同方位的多径信号，并且通过空口（over-the-air，OTA）建模方法，保证实验室与外场的无线环境的一致性。这种测试方法被称为基于多探头吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的MIMO OTA测试方法。

目前业界主要有3种MIMO OTA测试方案[1]，分别是MPAC、混响室以及基于传导或空口的二阶段法，其中，MPAC方案理论上可以精确模拟任意的空时信道模型，目前在业界认可度最高，因此，本文仅讨论MPAC方案。CTIA（Cellular Telecommunications and Internet Association，美国无线通信和互联网协会）和3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）的相关标准[2-3]给出了MPAC方案系统搭建方法和模型验证方法。参考文献[1]规定了一种LTE 下行双流MIMO OTA性能测试系统的标准验证方法，参考文献[3]引用了CTIA标准并规定了其他多种MIMO OTA的测试方法。

图1 在实验室中复现这种信道模式的方法

通信行业中典型的MPAC MIMO OTA系统框架如图2所示。在测试区域周围布置若干个离散的天线探头，每个天线探头发出的信号模拟了来自远场的一条信号分量，通过合理控制每个天线探头的功率与相位，这些离散信号可以近似模拟一种特定的空间角度功率谱，从而模拟了真实环境下来自四面八方的到达信号空间分布特征。暗室外面的信号模拟器基于数字仿真，复现了信号传输过程中的多径时延、多普勒、交叉极化比等衰落特征；功率放大器用于放大下行信号，弥补空口传输带来的路径损耗；基站模拟器用于建立通信链路，执行下行灌包和统计吞吐量等。被测终端吞吐量速率主要与收发信机之间信道的空间相关性有关，根据参考文献[4]，空间相关性与角度功率谱是傅里叶变换的关系，因此在图2所示的测试区域内，准确复现目标信道的角度功率谱是MIMO OTA信道验证工作的核心内容之一。另外，在实际测试过程中，被测终端的尺寸必须小于所构造测试区域。

2 汽车MIMO OTA测试的挑战与解决方案

2.1 面向整车测试方案的挑战

图2 一种典型的MPAC MIMO OTA系统框架

表1 典型商用5G/LTE智能手机三维尺寸

表2 典型轿车、越野车汽车三维尺寸

如果考虑整车作为一个被测设备，测试区域的直径至少需要5 m（小型轿车），在5.9 GHz车联网频段上，根据式（1）计算得到的离散探头数为621个，基于现有MIMO OTA技术，每个天线均需要与一个信道模拟器（channel emulator，CE）输出端口连接，因此需要621个CE端口，大约对应于10台是德科技F64或者78台思博伦VERTEX，并且无论是系统搭建、环境校准，其复杂度都是无法承担的。此外，一台信道模拟器的成本一般在数百万到千万级别，如果按照上述思路开发面向整车的MIMO OTA系统，系统建设成本将十分高昂。因此本文考虑引入低成本的数字变换器，基于算法设计与优化，在成本可控的条件下，实现测试区域的拓展。

2.2 整车MIMO OTA测试新架构

本文提出了一种新型的MIMO OTA系统建设架构（如图3所示），与典型系统架构（如图2所示）不同，在暗室天线探头和CE中间引入数字变换网络，将CE的每路输出通过修改功率和添加时变随机相位，可以数倍或者十几倍地拓展数字通道，从而降低对CE通道资源的要求。在第3节的仿真验证中可以看到，本文提出的架构可以在已有8探头暗室条件下，将拓展区域由0.7倍波长拓展至10倍波长。

2.3 数字变换网络的实现原理

图3 面向整车的新型MIMO OTA系统建设架构

3 数字仿真验证

3.1 数字仿真参数说明

本文采用参考文献[3]的表2.4.3-1中定义的空间信道模型拓展（spatial channel model extension，SCME）城市宏小区场景的信道参数，进行空间相关性（计算方法见参考文献[7]）和时间相关性（计算方法见参考文献[3]）的数字仿真。主要对比了不同方案在同样CE通道资源的条件下，可以支持的最大测试区域。空见相关性验证中，测试区域采点方式如图4所示。时间相关性验证的时间范围与参考文献[3]的图A.2.2.1-1相同。本文仿真暂不考虑极化建模，即假设发射和接收机均为垂直极化。

图4 空间相关性验证区域采点方式

对比方案整理如下：

（1）典型方法，CE 8探头方案（参考）；

（2）典型方法，CE 32探头方案（参考）；

（3）数字变换，CE 8探头优化方案（本文方案）；

（4）数字变换，CE 2探头优化方案（本文方案）。

主要对比不同方案的空间相关性和时间相关性与理论模型的近似程度。

3.2 空间相关性验证

首先对比本文提出的基于数字变换的CE 2探头优化方案与典型CE 8探头方案，在1倍波长范围内测试区域中的空间相关性情况。在图5中，首先给出了CTIA的4条标准空间相关性曲线，分别是理想曲线、8探头方案曲线、下界、上界。符合CTIA标准认证的MIMO OTA实验室，要求在1倍波长测试区域内的空间相关性曲线不得超出上界和下界。基于数字变换CE 2探头曲线和典型方案CE 8探头曲线，是基于数字仿真，并利用信道冲击响应函数，根据式（3）计算得出。理论值曲线则是根据探头的功率分布，按照瑞利衰落条件下的空见相关性计算式推演得出（详见参考文献[7]）。从图5中可以看到，无论是本文提出的数字变换CE 2探头方案，还是典型的CE 8探头方案，均可以在1倍波长测试区域范围内逼近CTIA理想探头布局曲线。

图5 数字变换CE 2探头与典型CE 8探头空间相关性性能对比

继续对比本文提出的基于数字变换的CE 8探头优化方案与典型CE 32探头方案，在图4所示的10倍波长范围内的测试区域中的空间相关性变化。在图6中可以看到，基于数字变换CE 8探头曲线和典型方案CE 32探头曲线，均可以在10倍波长测试区域范围内逼近CTIA理想探头布局曲线。两条曲线与理论值的偏差不超过0.1。

图6 数字变换CE 8探头与典型CE 32探头空间相关性性能对比

3.3 时间相关性验证

按照3GPP或者CTIA规定的时间相关性验证方法，仿真验证本文提出的基于数字变换的CE 2探头优化方案与典型CE 8探头方案，以及基于数字变换的CE 8探头优化方案与典型CE 32探头方案在测试区域中心的时间相关性变化曲线。图7和图8中，分别给出了CTIA标准规定的时间相关性理论曲线、上界曲线、下界曲线，其中，轴代表以中心与反点波长为单位的时间刻度，按照参考文献[3]第A2.2.1节的要求，对时间乘以速度除以波长。基于数字变换CE 2探头、8探头时间相关性曲线，以及基于典型方案的8探头、32探头时间相关性曲线是按照式（4），利用时域信道冲击影响函数计算得出的。图7和图8中的理论曲线根据参考文献[3]和参考文献[10]中定义的SCME子径空间分布、子径功率、用户运动速度等计算多普勒功率谱，然后进行傅里叶变换得出。基于图7和图8可以看出，本文提出的数字变换CE 2通道，数字变换8通道MIMO OTA系统重构方法，与典型方案CE 8通道和典型方案CE 32通道的相应时间相关性曲线在5倍波长时间范围内基本保持一致，同时与理论曲线变化趋势一致，偏差较小，并且处于CTIA规定上界和下界的范围内。

图7 数字变换CE 8探头与典型CE 32探头时间相关性性能对比

图8 数字变换CE 8探头与典型CE 32探头时间相关性性能对比

4 结束语

MIMO OTA测试技术首先发展于通信产业，支持小型智能终端空口性能的定量考查。随着汽车智能网联技术的发展，汽车开始更多地与网络及周围交通参与者进行通信，准确验证汽车空口实际性能表现将会成为汽车产业关注的热点内容，特别是涉及道路安全的通信场景。本文展示了一种面向汽车的新型MIMO OTA测试系统搭建方法，从时间相关性和空间相关性两个维度验证所提方案的可行性。根据数字仿真结果，使用少量的信道模拟器通道，基于适当的数字变换，可以实现测试区域的明显拓展，从而极大地降低汽车整车MIMO OTA系统搭建成本。后续将在两个方面继续开展相应的研究工作。一是信道模型，汽车与汽车、汽车与路边单元、汽车与行人通信的无线信道特征与蜂窝基站和手机之间有明显区别，下一步将开展车联网信道模型研究，探讨不同场景、不同信道模型下的整车性能评估方法。二是测试系统的校准方法和不确定度分析，由于引入了新的设备，如何准确、快速地进行链路功率和相位校准是面临的一个重要问题，特别是数字变换器对系统稳定性（例如功率相位随温度、时间的偏移等）和不确定度的影响。

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MIMO OTA performance testing of vehicles

LI Lei1, WEI Guiming1, JIANG Guokai2, FENG Jiaxu2, WU Xiang1

1. China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China 2. China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300, China

Intelligent traffic system is one of promising technologies for traffic industry. Based on communication among cars, pedestrian, traffic infrastructure and cellular networks, it’s able to significantly promote on road safety and efficiency by making proper traffic instructions. How to precisely evaluate the communication performance of a whole vehicle become a hot-topic in the field. Unfortunately, there is still no solution about the setup and procedures for the OTA testing. A low-cost solution was proposed by reconstructing channel models and optimizing the existing testing system framework that referred to as multi-probe anechoic chamber. The proposed method was able to multiple the test area with limited channel emulator RF channels by introducing a low-cost digital converter. Numerical simulations indicate that the proposed method has the ability to reproduce spatial and temporal correlation features of the target channel model, which is coherent with related standards’ requirements.

OTA testing for vehicles, multi-probe anechoic chamber, spatial correlation, temporal correlation

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2021040

2020−07−29；

2021−02−18

魏贵明，weiguiming@caict.ac.cn

李雷（1990− ），男，中国信息通信研究院工程师，主要研究方向为无线通信原理与系统、无线信道建模与分析、MIMO OTA性能测试技术、车联网性能测试方法等。

魏贵明（1970− ），男，中国信息通信研究院移动通信创新中心常务副主任，主要研究方向为移动通信技术标准、产业组织和发展策略等。

姜国凯（1990− ），男，中国汽车技术研究中心有限公司高级工程师，主要研究方向为智能网联汽车电磁兼容和通信质量测评。

冯家煦（1994− ），男，中国汽车技术研究中心有限公司工程师，主要研究方向为智能网联汽车通信质量测试评价。

吴翔（1979− ），男，中国信息通信研究院高级工程师，主要研究方向为无线通信、射频、电磁兼容等。