面向汽車的MIMO OTA測試技術

李雷，魏貴明，姜國凱，馮家煦，吳翔

專題：移動通信（5G）測試

面向汽車的MIMO OTA測試技術

李雷1，魏貴明1，姜國凱2，馮家煦2，吳翔1

（1.中國信息通信研究院，北京 100191；2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

汽車智能網聯是當前交通產業發展的主要方向之一。通過汽車與周圍車輛、行人、交通設施、蜂窩網絡進行信息交互，提升交通網決策管理智能化水平，改善道路安全與效率。如何定量精確地評估整車通信性能是業界關注的熱點問題，然而目前尚缺少成熟的解決方案，特別是面向整車產品。主要研究了基于多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的汽車空口測量系統的搭建方法，并針對整車空口測試提出了一種低成本解決方案，可以在信道模擬器數字通路受限的情況下，通過數字變換，成倍拓展測試區域。數字仿真結果表明，基于此方案所構造的測試區域，其空間相關性、時間相關性均滿足相關標準要求。

汽車空口測試；多探頭吸波暗室；空間相關性；時間相關性

1 引言

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）通過在收發兩端配置多路天線，基于合適的空時編碼技術，可以在相同的時頻資源上傳輸多流數據，從而成倍地提升系統的頻譜效率，是長期演進（long term evolution，LTE）和新空口（new radio，NR）接入網絡的核心物理層技術之一。MIMO系統實際性能表現主要與3方面有關：無線傳輸環境、收發信機基帶算法和多天線設計。移動通信的復雜空口給硬件和算法設計帶來了嚴峻挑戰。為了準確評估MIMO系統的實際性能表現，便于產品快速優化，無線通信工程師希望在實驗室中復現外場的無線傳輸環境，然后定量地考查基帶和天線的整體性能。這首先涉及無線環境的數學建模，根據參考文獻[1]，無線信號從發送端到接收端經歷的衰落可分為兩類：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落包括路徑損耗和陰影衰落，主要影響接收信號的功率大小；小尺度衰落包含多徑和多普勒，導致時間和頻率選擇性衰落，影響基帶解調性能。多徑是無線信號在空間、時間、極化等維度上的延展，可以用多徑時延譜、空間角度功率譜、多普勒頻偏功率譜、極化泄露比等進行數學描述。一種典型的建模方法是基于隨機幾何的空時信道模型，如WINNER模型。實際信號傳輸中，可能在散射體之間發生多次反射，為了增強數學模型可塑性，空時信道模型忽略中間反射過程，只對首尾散射體進行建模。一種在實驗室中復現這種信道模型的方法如圖1所示，將多個天線探頭放置在被測設備周圍，模擬真實環境下來自不同方位的多徑信號，并且通過空口（over-the-air，OTA）建模方法，保證實驗室與外場的無線環境的一致性。這種測試方法被稱為基于多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的MIMO OTA測試方法。

目前業界主要有3種MIMO OTA測試方案[1]，分別是MPAC、混響室以及基于傳導或空口的二階段法，其中，MPAC方案理論上可以精確模擬任意的空時信道模型，目前在業界認可度最高，因此，本文僅討論MPAC方案。CTIA（Cellular Telecommunications and Internet Association，美國無線通信和互聯網協會）和3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）的相關標準[2-3]給出了MPAC方案系統搭建方法和模型驗證方法。參考文獻[1]規定了一種LTE 下行雙流MIMO OTA性能測試系統的標準驗證方法，參考文獻[3]引用了CTIA標準并規定了其他多種MIMO OTA的測試方法。

圖1 在實驗室中復現這種信道模式的方法

通信行業中典型的MPAC MIMO OTA系統框架如圖2所示。在測試區域周圍布置若干個離散的天線探頭，每個天線探頭發出的信號模擬了來自遠場的一條信號分量，通過合理控制每個天線探頭的功率與相位，這些離散信號可以近似模擬一種特定的空間角度功率譜，從而模擬了真實環境下來自四面八方的到達信號空間分布特征。暗室外面的信號模擬器基于數字仿真，復現了信號傳輸過程中的多徑時延、多普勒、交叉極化比等衰落特征；功率放大器用于放大下行信號，彌補空口傳輸帶來的路徑損耗；基站模擬器用于建立通信鏈路，執行下行灌包和統計吞吐量等。被測終端吞吐量速率主要與收發信機之間信道的空間相關性有關，根據參考文獻[4]，空間相關性與角度功率譜是傅里葉變換的關系，因此在圖2所示的測試區域內，準確復現目標信道的角度功率譜是MIMO OTA信道驗證工作的核心內容之一。另外，在實際測試過程中，被測終端的尺寸必須小于所構造測試區域。

2 汽車MIMO OTA測試的挑戰與解決方案

2.1 面向整車測試方案的挑戰

圖2 一種典型的MPAC MIMO OTA系統框架

表1 典型商用5G/LTE智能手機三維尺寸

表2 典型轎車、越野車汽車三維尺寸

如果考慮整車作為一個被測設備，測試區域的直徑至少需要5 m（小型轎車），在5.9 GHz車聯網頻段上，根據式（1）計算得到的離散探頭數為621個，基于現有MIMO OTA技術，每個天線均需要與一個信道模擬器（channel emulator，CE）輸出端口連接，因此需要621個CE端口，大約對應于10臺是德科技F64或者78臺思博倫VERTEX，并且無論是系統搭建、環境校準，其復雜度都是無法承擔的。此外，一臺信道模擬器的成本一般在數百萬到千萬級別，如果按照上述思路開發面向整車的MIMO OTA系統，系統建設成本將十分高昂。因此本文考慮引入低成本的數字變換器，基于算法設計與優化，在成本可控的條件下，實現測試區域的拓展。

2.2 整車MIMO OTA測試新架構

本文提出了一種新型的MIMO OTA系統建設架構（如圖3所示），與典型系統架構（如圖2所示）不同，在暗室天線探頭和CE中間引入數字變換網絡，將CE的每路輸出通過修改功率和添加時變隨機相位，可以數倍或者十幾倍地拓展數字通道，從而降低對CE通道資源的要求。在第3節的仿真驗證中可以看到，本文提出的架構可以在已有8探頭暗室條件下，將拓展區域由0.7倍波長拓展至10倍波長。

2.3 數字變換網絡的實現原理

圖3 面向整車的新型MIMO OTA系統建設架構

3 數字仿真驗證

3.1 數字仿真參數說明

本文采用參考文獻[3]的表2.4.3-1中定義的空間信道模型拓展（spatial channel model extension，SCME）城市宏小區場景的信道參數，進行空間相關性（計算方法見參考文獻[7]）和時間相關性（計算方法見參考文獻[3]）的數字仿真。主要對比了不同方案在同樣CE通道資源的條件下，可以支持的最大測試區域。空見相關性驗證中，測試區域采點方式如圖4所示。時間相關性驗證的時間范圍與參考文獻[3]的圖A.2.2.1-1相同。本文仿真暫不考慮極化建模，即假設發射和接收機均為垂直極化。

圖4 空間相關性驗證區域采點方式

對比方案整理如下：

（1）典型方法，CE 8探頭方案（參考）；

（2）典型方法，CE 32探頭方案（參考）；

（3）數字變換，CE 8探頭優化方案（本文方案）；

（4）數字變換，CE 2探頭優化方案（本文方案）。

主要對比不同方案的空間相關性和時間相關性與理論模型的近似程度。

3.2 空間相關性驗證

首先對比本文提出的基于數字變換的CE 2探頭優化方案與典型CE 8探頭方案，在1倍波長范圍內測試區域中的空間相關性情況。在圖5中，首先給出了CTIA的4條標準空間相關性曲線，分別是理想曲線、8探頭方案曲線、下界、上界。符合CTIA標準認證的MIMO OTA實驗室，要求在1倍波長測試區域內的空間相關性曲線不得超出上界和下界。基于數字變換CE 2探頭曲線和典型方案CE 8探頭曲線，是基于數字仿真，并利用信道沖擊響應函數，根據式（3）計算得出。理論值曲線則是根據探頭的功率分布，按照瑞利衰落條件下的空見相關性計算式推演得出（詳見參考文獻[7]）。從圖5中可以看到，無論是本文提出的數字變換CE 2探頭方案，還是典型的CE 8探頭方案，均可以在1倍波長測試區域范圍內逼近CTIA理想探頭布局曲線。

圖5 數字變換CE 2探頭與典型CE 8探頭空間相關性性能對比

繼續對比本文提出的基于數字變換的CE 8探頭優化方案與典型CE 32探頭方案，在圖4所示的10倍波長范圍內的測試區域中的空間相關性變化。在圖6中可以看到，基于數字變換CE 8探頭曲線和典型方案CE 32探頭曲線，均可以在10倍波長測試區域范圍內逼近CTIA理想探頭布局曲線。兩條曲線與理論值的偏差不超過0.1。

圖6 數字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭空間相關性性能對比

3.3 時間相關性驗證

按照3GPP或者CTIA規定的時間相關性驗證方法，仿真驗證本文提出的基于數字變換的CE 2探頭優化方案與典型CE 8探頭方案，以及基于數字變換的CE 8探頭優化方案與典型CE 32探頭方案在測試區域中心的時間相關性變化曲線。圖7和圖8中，分別給出了CTIA標準規定的時間相關性理論曲線、上界曲線、下界曲線，其中，軸代表以中心與反點波長為單位的時間刻度，按照參考文獻[3]第A2.2.1節的要求，對時間乘以速度除以波長。基于數字變換CE 2探頭、8探頭時間相關性曲線，以及基于典型方案的8探頭、32探頭時間相關性曲線是按照式（4），利用時域信道沖擊影響函數計算得出的。圖7和圖8中的理論曲線根據參考文獻[3]和參考文獻[10]中定義的SCME子徑空間分布、子徑功率、用戶運動速度等計算多普勒功率譜，然后進行傅里葉變換得出。基于圖7和圖8可以看出，本文提出的數字變換CE 2通道，數字變換8通道MIMO OTA系統重構方法，與典型方案CE 8通道和典型方案CE 32通道的相應時間相關性曲線在5倍波長時間范圍內基本保持一致，同時與理論曲線變化趨勢一致，偏差較小，并且處于CTIA規定上界和下界的范圍內。

圖7 數字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時間相關性性能對比

圖8 數字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時間相關性性能對比

4 結束語

MIMO OTA測試技術首先發展于通信產業，支持小型智能終端空口性能的定量考查。隨著汽車智能網聯技術的發展，汽車開始更多地與網絡及周圍交通參與者進行通信，準確驗證汽車空口實際性能表現將會成為汽車產業關注的熱點內容，特別是涉及道路安全的通信場景。本文展示了一種面向汽車的新型MIMO OTA測試系統搭建方法，從時間相關性和空間相關性兩個維度驗證所提方案的可行性。根據數字仿真結果，使用少量的信道模擬器通道，基于適當的數字變換，可以實現測試區域的明顯拓展，從而極大地降低汽車整車MIMO OTA系統搭建成本。后續將在兩個方面繼續開展相應的研究工作。一是信道模型，汽車與汽車、汽車與路邊單元、汽車與行人通信的無線信道特征與蜂窩基站和手機之間有明顯區別，下一步將開展車聯網信道模型研究，探討不同場景、不同信道模型下的整車性能評估方法。二是測試系統的校準方法和不確定度分析，由于引入了新的設備，如何準確、快速地進行鏈路功率和相位校準是面臨的一個重要問題，特別是數字變換器對系統穩定性（例如功率相位隨溫度、時間的偏移等）和不確定度的影響。

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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

魏貴明，weiguiming@caict.ac.cn

李雷（1990? ），男，中國信息通信研究院工程師，主要研究方向為無線通信原理與系統、無線信道建模與分析、MIMO OTA性能測試技術、車聯網性能測試方法等。

魏貴明（1970? ），男，中國信息通信研究院移動通信創新中心常務副主任，主要研究方向為移動通信技術標準、產業組織和發展策略等。

姜國凱（1990? ），男，中國汽車技術研究中心有限公司高級工程師，主要研究方向為智能網聯汽車電磁兼容和通信質量測評。

馮家煦（1994? ），男，中國汽車技術研究中心有限公司工程師，主要研究方向為智能網聯汽車通信質量測試評價。

吳翔（1979? ），男，中國信息通信研究院高級工程師，主要研究方向為無線通信、射頻、電磁兼容等。