基于VDT對終端天線增益平衡性的研究

謝寧寧

（維沃移動通信有限公司，廣東 東莞 523861）

0 引言

隨著無線通信的發(fā)展，人類對通信速率的渴求，從低速的2G 網(wǎng)絡到如今高速的5G 網(wǎng)絡，各種技術(shù)都是在有限的頻譜資源下獲得高數(shù)據(jù)傳輸速率。其中，多輸入多輸出（MIMO,Multiple Input Multiple Output）技術(shù)為系統(tǒng)提供分集增益和空分復用增益，成為無線通信系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一。

在參考文獻[1]中，已經(jīng)分析了收發(fā)信機通道不平衡對分集系統(tǒng)性能的影響，得出信道不一致導致的信噪比不同對系統(tǒng)性能影響較大的結(jié)論。參考文獻[2]主要研究了多天線耦合性對于系統(tǒng)信道容量的影響，參考文獻[3]研究了在分時長期演進系統(tǒng)下，基站端存在不平衡時，導致的反饋預編碼不匹配問題。但是，這部分研究主要集中在2007～2012 年左右，而且大部分學者的研究重點是分析基站端、傳播路徑上（信道衰落）的不平衡，對終端手機存在的天線不平衡研究極少。一方面是LTE 終端大規(guī)模普及主要在2015 年后，且終端天線設計保密的要求，很多相關的研究結(jié)論不適合公開；另一方面是先前的研究結(jié)論大部分都是仿真結(jié)果，并沒有實際外場的結(jié)果，即使有部分外場結(jié)果精細化程度也不夠。NR 終端大部分以四天線為主，隨著系統(tǒng)工具的成熟和NR 終端手機的不斷涌現(xiàn)，做好兩個天線間增益均衡性是非常有必要的。

在實際場景中，由于豎屏（微信、抖音應用）和橫屏（游戲場景）握持手機時，手會不可避免地遮擋住天線，使得手機出現(xiàn)兩個或者四個天線的增益不平衡的現(xiàn)象，嚴重時甚至會出現(xiàn)其中一支天線比最好的天線差10 dB以上的情況，這種性能的急劇惡化帶來的影響程度和對影響程度的量化是本文研究的重點。此外，本文對終端的性能評估用基本的指標吞吐量進行，由于NR 目前基站軟件版本還不足夠穩(wěn)定，選用比較成熟的LTE 網(wǎng)絡進行模擬外場的搭建，重點研究天線單元側(cè)不平衡對終端性能的影響。

在單個使用場景，比如橫屏游戲場景，我們很容易做到兩支天線均衡，但同時滿足橫屏和豎屏這樣的設計是比較棘手的。在折中設計橫豎屏場景時，就需要把天線的平衡性設計到一個合理的范圍，這樣才可以在橫屏游戲和豎屏上網(wǎng)場景帶給消費者更優(yōu)的速率體驗。

1 終端系統(tǒng)原理分析

如圖1 所示，列舉2×2MIMO 終端側(cè)不平衡單元，包括射頻通路、饋線、天線單元自身的不平衡。一般地，現(xiàn)在終端采用上下天線架構(gòu)，主輔射頻通路之間的差距比較小（低于1 dB），饋線損耗跟布局和走線有關，目前可以做到主輔射頻通路饋線差距1 dB 內(nèi)，自由狀態(tài)兩個天線之間的平均增益差距可以做到3 dB 內(nèi)，但是因為手持或者頭的遮擋，其中一支天線可能會下降6～10 dB，這樣就會出現(xiàn)主副天線平均增益差距大于10 dB 的現(xiàn)象。

圖1 兩天線終端側(cè)不平衡單元

根據(jù)香農(nóng)定理，信道容量公式為：

其中，I是單位矩陣，γ是接收端SINR，η是歸一化功率，Nt是發(fā)射天線數(shù)，(.)H為共軛轉(zhuǎn)置。

根據(jù)香農(nóng)定理，信道容量與SINR 成正比關系。兩個接收天線SINR 的差異會引起信道容量差異。

參考文獻[4]、[5]的推導，設兩個天線處于相同的環(huán)境下，當波束從某個方向入射時，天線在該方向接收的功率為Pr(θ,ψ)：

令兩個天線分別為ANT0 和ANT1，則兩個天線的信噪比分別為Rsn,0和Rsn,1：

若兩個天線接收噪聲相同，則：

從式(4)得出，在入射電磁波功率密度相同時，兩個天線的信噪比跟兩個天線的增益、歸一化場強方向性函數(shù)強相關。

通過上述的理論分析，兩個天線的增益不平衡會帶來兩個天線的SINR 不平衡，天線的SINR 不平衡會影響終端的信道容量，也就是影響終端的吞吐量。下一節(jié)將定量分析出終端天線增益平衡性對吞吐量的影響。

2 設計實驗

為了系統(tǒng)地、精準地探究終端天線增益平衡性對吞吐量的影響，本文采有了比較新穎、精準的VDT（Virtual Driving Test，虛擬路測）+OTA（Virtual Driving Test+Over The Air）[6-7]技術(shù)重塑外場環(huán)境。

如圖2所示，此系統(tǒng)包括核心網(wǎng)（EPC）、基站（eNode B）、信道模擬器（Channel Emulator）和暗室（Chamber）組成。該系統(tǒng)的優(yōu)勢：（1）同時支持大尺度和小尺度衰落的模擬；（2）支持雙向測試、支持全面MIMO 模式；（3）豐富的場景模型，包含3GPP 典型模型、VDT 外場模型；（4）可定制化測試用例；（5）精度高、可控性高、可重復等。

圖2 VDT+OTA測試系統(tǒng)

研究終端選擇兩天線終端，外場環(huán)境選擇弱場RSRP 為-112 dBm，主要研究了TM（Transmission Mode，傳輸模式）2 和TM3 兩種模式。TM2 可以多發(fā)，有分集增益。TM3 與TM2 比，TM3 網(wǎng)絡根據(jù)終端上報RI（Rank Indication）獲得終端信息來選擇是采用、大循環(huán)延遲分集方案還是發(fā)射分集。簡單的說TM2 是分集模式，TM3 有MIMO 和分集兩種模式。

在定量研究前，我們先進行外場環(huán)境的復現(xiàn)，VDT環(huán)境映射外場最重要的參考指標就是終端的RSPR、SINR、MCS（Modulation and Coding Scheme）、CQI（Channel Quality Indication）和雙流比等參數(shù)。

2.1 測試系統(tǒng)搭建

如圖3 所示，所構(gòu)建的VDT 測試系統(tǒng)：被測終端置于屏蔽箱內(nèi)，屏蔽實驗室其他無關信號的干擾；終端通過同軸線連接到信道模擬器端，通過電腦端操作信道模擬器，在操作界面上可以單獨控制上下行路損和噪聲（干擾）；信道模擬器通過同軸線連接基站（LTE RRU），此RRU配套核心網(wǎng)。信道模擬器中內(nèi)置該場景信道文件，根據(jù)終端Logs 中的RSRP/SINR/MCS 等數(shù)據(jù)模擬服務小區(qū)信號的衰落特征重現(xiàn)外場。實驗中信道模擬器噪聲模塊保持噪聲不變，天線方向圖導入到信道模擬器里，并保持天線方向性都不變，通過保持主集通路不變調(diào)整分集通路路損來實現(xiàn)降低分集增益，從而完成天線增益差調(diào)整。

圖3 構(gòu)建的VDT測試系統(tǒng)

2.2 天線增益與RSRP和SINR變化趨勢

在實驗前，本文先驗證天線增益變化對應的RSRP和SINR 的變化。RSRP0 和SINR0 指終端主集天線ANT0 上檢測到的RSRP 和SINR；RSRP1 和SINR1 指終端分集天線ANT1 上檢測到的RSRP 和SINR。初始兩個天線的增益相同，天線增益平衡性用天線增益差ΔAG（Antenna Gain）表征，ΔAG 定義為主天線增益減去副天線增益，RSRP 差ΔRSRP 定義為RSRP0 減去RSPP1，SINR 差ΔSINR 定義為SINR0 減去SINR1。如表1 所示，ΔSINR 和ΔRSRP 隨ΔAG 減少而不斷減少，與式(4)對應。

表1 ΔAG與RSRP和SINR變化趨勢

2.3 VDT環(huán)境與外場對應

實驗室復現(xiàn)外場：RSRP 平均值為-112.7 dBm，SINR 平均值為7.6 dB。同時基站配置TM2 傳輸模式，因此為分集模式。如表2 所示：

表2 TM2外場與VDT環(huán)境對比分析

實驗室復現(xiàn)外場：RSRP 平均值為-112.5 dBm，SINR 平均值為7.3 dB。基站配置TM3 傳輸模式，雙流占比76%，主要為MIMO 模式，如表3 所示：

表3 TM3外場環(huán)境與VDT環(huán)境對比分析

3 實驗結(jié)果

3.1 TM2和TM3模式下吞吐量隨天線增益平衡性變化趨勢

實驗室VDT 環(huán)境，RSRP=-112 dBm 和SINR=7 dB的終端測試結(jié)果分析如下：

（1）如圖4 所示，不論分集還是MIMO 模式，隨著天線增益差ΔAG 變大，吞吐量不斷下降，與第1 節(jié)終端系統(tǒng)原理分析相對應。

（2）如圖5 所示，隨ΔAG 變大吞吐量下降比例MIMO 模式（TM3）相比分集模式（TM2）更大。由此可見，在SINR=7 dB 比較好的環(huán)境時，MIMO 模式下更需要把天線平衡性做好。

（3）如圖6 所示，隨ΔAG 變大，TM3 模式下雙流占比不斷降低；當ΔAG=9 dB 時，雙流比接近為0。由此可見，MIMO 模式下天線增益平衡性差到一定程度雙流比接近為0，就等同分集模式。在終端設計天線時，考慮到MIMO 場景應用的廣泛性和體驗上更佳等，在橫屏和豎屏等場景需要管控ΔAG 到一定范圍。

圖4 TM2和TM3模式下吞吐量隨ΔAG變化趨勢

圖5 TM2和TM3模式下吞吐量隨ΔAG下降比例

圖6 TM3下雙流比隨ΔAG下降比例

3.2 TM3模式下不同RSRP和SINR起始時吞吐量隨天線增益平衡性變化趨勢

保持噪聲不變，調(diào)整起始RSRP0 分別為-110 dBm、-112 dBm、-114 dBm 和SINR0 分別為8.2 dB、7.3 dB、5.8 dB 時，在TM3 傳輸下不同RSRP0 和SINR0 起始時終端吞吐量隨天線平衡性變化趨勢，分析得出：

（1）如圖7 所示，隨著天線增益差ΔAG 變差，吞吐量也在不斷下降。

圖7 不同RSRP0和SINR0起始時吞吐量隨ΔAG變化趨勢

（2）如圖8 所示，隨ΔAG 變大吞吐量下降比例RSRP0=-114 dBm 相比RSRP0=-110 dBm 更大；隨ΔAG變大吞吐量下降比例SINR0=5.8 dB 相比SINR0=8.2 dB更大。由此可見，在相對弱場環(huán)境下更需要把天線平衡性做好。

圖8 不同RSRP0和SINR0起始時吞吐量隨ΔAG下降比例

（3）如圖9 所示，隨ΔAG 變大雙流占比不斷降低；當ΔAG=9 dB 時，RSRP0=-114 dBm 和-112 dBm 起始時雙流占比接近為0；當ΔAG=10 dB 時RSRP0=-110 dBm起始雙流占比接近為0。由此可見，MIMO 模式下天線增益平衡性差到一定程度雙流比接近為0，只有單流。

圖9 不同RSRP0和SINR0起始時雙流比隨ΔAG下降比例

3.3 TM3模式下不同干擾下吞吐量隨天線增益平衡性變化趨勢

在TM3 傳輸下，保持主集RSRP0=-112 dBm 不變，調(diào)整噪聲系數(shù)實現(xiàn)SINR0 分別為7 dB 和0.7 dB。如圖10 所示，SINR0=0.7 dB 實現(xiàn)強干擾場景，雙流比較低，接近分集模式，終端吞吐量隨天線增益平衡性變化趨勢，分析得出如下結(jié)論。

圖10 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB雙流比隨ΔAG下降比例

（1）如圖11 所示，隨著天線增益差ΔAG 變差，吞吐量也在不斷下降，與上文結(jié)論一致。

圖11 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB吞吐量隨ΔAG變化趨勢

（2）如圖12 所示，隨ΔAG 變大吞吐量下降比例SINR0=0.7 dB 相比SINR0=7 dB 更大，與圖8 的結(jié)論吻合。由此可見，在強干擾環(huán)境下更需要把天線平衡性做好。

圖12 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB吞吐量隨ΔAG下降比例

綜上，第3.1 節(jié)對終端MIMO 和分集模式下天線增益平衡性對吞吐量的影響進行了論證；第3.2 節(jié)對不同弱場進行了論證；第3.3 節(jié)對不同干擾場景進行了論證。總之，不論是MIMO 模式還是分集模式，不論是弱場還是強干擾場景，吞吐量都會隨著平衡性變差而降低。為了更好的用戶體驗，終端廠家需要保證最強的單天線性能不變的情況下，做好第二支天線。

4 結(jié)束語

本文基于VDT 技術(shù)重現(xiàn)外場，并在實驗室研究了終端天線增益平衡性對吞吐量的影響，得出了MIMO 復用模式相比分集模式下天線平衡性對吞吐量的影響更大些，基于TM3 傳輸模式分析雙流比隨著ΔAG 變化趨勢，得出隨ΔAG 變大，TM3 模式下雙流占比不斷降低，當ΔAG 差到一定程度，雙流比接近為0，只有單流。同時基于TM3 對不同RSRP0 和SINR0 下，研究了吞吐量隨終端天線增益平衡性的變化趨勢，得出了在相對弱場和強干擾場景下更應該做好天線增益平衡性。這些研究結(jié)論對于終端天線平衡性設計有很好的指導意義。