MIMO的多變催生多種測試解決方案

多入多出(MIMO)天線系統(tǒng)的多樣性和持續(xù)發(fā)展特性迫使測試公司要努力走在行業(yè)要求的前面。根據(jù)完成測試的場所不同，從學(xué)術(shù)和行業(yè)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證和制造，或是從IC到基站到手機(jī)，具體要求都有相當(dāng)大的變化。研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證尖端性能的最新測試測量技術(shù)，以及針對(duì)美國和其它地區(qū)的高成本效益生產(chǎn)測試近來都在發(fā)生變化。

不同的MIMO種類

2012年MIMO領(lǐng)域發(fā)生了很多變化。作為智能天線技術(shù)的一部分，MIMO無需額外帶寬或提高發(fā)射功率就可以提供更高的數(shù)據(jù)速率和更好的頻譜效率(bits/second/Hz)。當(dāng)然，在發(fā)射(Tx)和接收(Rx)端使用多根天線并增加數(shù)據(jù)處理會(huì)提高系統(tǒng)復(fù)雜性以及相關(guān)的測試要求。

也許在實(shí)現(xiàn)MIMO測試時(shí)的首要問題是理解目前存在的變化。不同類型的MIMO及其與其它多天線技術(shù)的混淆問題十分普遍(見表1)。

MIMO是4G/長期演進(jìn)(LTE)的一部分。兩種不同類型MIMO，即時(shí)分(TD)LTE或LTE TDD(TD雙工)與頻分(FD)LTE或LTE FDD(FD雙工)之間的主要差異是部署每種協(xié)議所需的頻譜類型，Azimuth Systems公司高級(jí)營銷經(jīng)理Erik Org表示。

“在使用頻分LTE時(shí)，你需要成對(duì)的頻譜，一個(gè)頻段用于上行鏈路，另一個(gè)頻段用于下行鏈路，因?yàn)樯闲墟溌泛拖滦墟溌肥峭瑫r(shí)工作的。”Org指出。每臺(tái)無線電設(shè)備的信號(hào)發(fā)射和接收是同時(shí)進(jìn)行的。在使用時(shí)分(TD)時(shí)，發(fā)射在一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行，而接收在另一個(gè)時(shí)隙進(jìn)行。因此實(shí)現(xiàn)TD協(xié)議不需要成對(duì)的頻譜。

在使用多用戶或MU MIMO(802.11ac)時(shí)，并不是為單個(gè)用戶提供雙倍的數(shù)據(jù)速率，而是兩個(gè)用戶共享雙倍數(shù)據(jù)速率。“實(shí)際上并不是提高可用的數(shù)據(jù)速率，而是增加了覆蓋率。”Spirent Communication公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Mike McKernan表示，“在這種蜂窩系統(tǒng)中你可以使用單個(gè)MIMO信道支持另一個(gè)用戶。”

“在使用MU MIMO時(shí)，你可以有多臺(tái)接收機(jī)，這樣就可以使用帶4根天線的單臺(tái)發(fā)射機(jī)，同時(shí)可以使用多臺(tái)接收機(jī)(最多4臺(tái))，每個(gè)接收機(jī)有其單獨(dú)的天線，甚至你可以實(shí)現(xiàn)包括3臺(tái)接收機(jī)、其中一臺(tái)有2根天線的組合。”美國國家儀器(NI)公司射頻與無線測試部產(chǎn)品營銷經(jīng)理Raajit Lall表示(圖1)。

圖1：單用戶MIMO允許將多根天線只連接到單臺(tái)設(shè)備。多用戶MIMO允許多個(gè)用戶當(dāng)作空間上分布式的發(fā)射源，從而提高效率。

手機(jī)制造商通常使用傳導(dǎo)或有線測試方法得到的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果和服務(wù)提供商的現(xiàn)場測試結(jié)果的不同催生了MIMO空中(OTA)測試。第3代合作伙伴項(xiàng)目(3GPP)標(biāo)準(zhǔn)組織正在努力明確如何通過MIMO OTA測試減少實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場測試之間的差距，安捷倫科技公司(Agilent)電子測量部門無線營銷計(jì)劃經(jīng)理Jung-ik Suh指出。

測試設(shè)備供應(yīng)商提供了不同的OTA測試方法。安捷倫提供的兩級(jí)MIMO OTA測試方法試圖盡可能提高用戶的投資回報(bào)(ROI)并完善OTA測試結(jié)果。“在MIMO OTA測試方面大概有三種建議，3GPP正在與安捷倫等測試供應(yīng)商合作，以確定哪種是最好的方法。”Suh透露。

波束成形不一定需要MIMO。“采用多根天線的波束成形技術(shù)可以通過定向波束改善無線系統(tǒng)性能，它不僅能提高數(shù)據(jù)速率和覆蓋率，而且對(duì)目標(biāo)接收機(jī)的干擾也更小。”Suh指出。不過，當(dāng)與MIMO結(jié)合在一起時(shí)，MIMO波束成形就成為了TD-LTE和LTE-Advanced技術(shù)中一個(gè)規(guī)劃的部分。

“最初的LTE-Advanced研發(fā)工作集中在載波聚合上面，目標(biāo)是要提供更寬的頻帶，實(shí)現(xiàn)高達(dá)1Gbit/s的更高數(shù)據(jù)速率。不過一些領(lǐng)先的研發(fā)團(tuán)隊(duì)也在開發(fā)多至8×8的MIMO。”Suh指出。

問題：規(guī)范狀態(tài)

當(dāng)前的測試需要考慮許多還未完稿和批準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)。作為MIMO LTE-Advanced驗(yàn)證過程的一部分，CTIA、國際無線通信產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)正在進(jìn)行參考天線測試。CTIA采用已知好的設(shè)備和不良設(shè)備進(jìn)行測試設(shè)備的比較。

“這些已知好的和已知不良的設(shè)備將被分發(fā)出去，以便CTIA能夠驗(yàn)證人們獲得的結(jié)果是否跟期望的一致，以后會(huì)有許多這方面的工作。”Spirent公司的McKernan表示。

TD LTE MIMO也在持續(xù)改進(jìn)中。雖然業(yè)界為FDD和TDD的使用定義了廣泛的頻帶范圍，但有許多頻帶至今沒有用到。“去年，人們的注意力更多地放在TDD 38-41頻段。“Azimuth公司的Org指出。他希望2.5GHz至2.7GHz頻段中會(huì)發(fā)生一些變化。全球的運(yùn)營商特別是中國運(yùn)營商將考慮采用TD LTE，因?yàn)檫@種技術(shù)具有不對(duì)稱地分配頻譜或分配容量的優(yōu)勢。

在無線局域網(wǎng)(WLAN)領(lǐng)域，Wi-Fi聯(lián)盟基本上確定了哪些MIMO版本是強(qiáng)制性的，哪些版本是可選的。對(duì)于最新的WLAN標(biāo)準(zhǔn)802.11ac來說，測試3×3正在成為許多芯片組供應(yīng)商面臨的強(qiáng)制要求。“3×3肯定是最新WLAN標(biāo)準(zhǔn)要求的。”國家儀器公司的Lall認(rèn)為，“LTE并不要求8×8，但許多研發(fā)實(shí)驗(yàn)室都開展了這方面的測試。”

一些專家認(rèn)為，802.11ac在2013年底前有可能無法全部完成。安捷倫公司電子測量部LTE市場計(jì)劃經(jīng)理Jan Whitacre認(rèn)為，最終定稿至少還要一年。沒有供應(yīng)商建議直到規(guī)范最終定稿才購買測試設(shè)備。

測試策略

雖然正在發(fā)生的許多MIMO變化是不確定的，但這些變化都是暫時(shí)性的?，F(xiàn)在正是實(shí)現(xiàn)測試變化的時(shí)候。MIMO的預(yù)期變化已經(jīng)公布好幾年了。在許多情況下，它們最終會(huì)或緊急得到批準(zhǔn)。另外，當(dāng)測試公司開發(fā)出測試設(shè)備來解決已知或計(jì)劃的變化時(shí)，設(shè)備或平臺(tái)的易用性(針對(duì)設(shè)置和使用)得到了大幅簡化。

在有些情況下只需軟件發(fā)生改變。例如，國家儀器已經(jīng)在平臺(tái)設(shè)計(jì)中準(zhǔn)備好了滿足面向未來實(shí)現(xiàn)的10×10和更高系統(tǒng)的要求。因此，現(xiàn)在購買這類設(shè)備的客戶完全可以在多年后仍滿足變化的測試要求。

“這是我們有意做出的決定，也是PXI平臺(tái)背后的首要想法。”國家儀器的Lall表示，“將它擴(kuò)展到20×20也沒有技術(shù)方面的限制，而10×10系統(tǒng)我們肯定已做過測試。”

誠然，那些由于所有條件可能沒有全部到位而無法馬上決定購買測試設(shè)備的公司如今也很難決策。如果一家公司等待太久而沒有購買設(shè)備對(duì)最終規(guī)范進(jìn)行測試，那就很可能落后于競爭對(duì)手。如果設(shè)備提供商是規(guī)范開發(fā)的密切接觸者，并且在其平臺(tái)和產(chǎn)品開發(fā)中考慮了規(guī)范要求，那么提前購買測試設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)可以被降到最低。

測試設(shè)備供應(yīng)商針對(duì)自適應(yīng)的方法可以是使用內(nèi)置功能，或者很方便地升級(jí)，以盡量減少成本以及對(duì)客戶的破壞性影響。當(dāng)然，如果決策錯(cuò)誤，用戶可能必須從頭開始去獲得一個(gè)有效的測試裝置，因此這不是很容易做出的決定。另外，如果當(dāng)前測試的是2×2或4×2，那么討論8×8甚或4×4對(duì)某些測試客戶來說似乎過早了點(diǎn)。但測試設(shè)備供應(yīng)商在2012年就已經(jīng)感受到了用戶興趣和定單的增加。

即使參加了標(biāo)準(zhǔn)討論，那些等待規(guī)范接近定稿的客戶可能要達(dá)到他們的極限了。“我大概在去年就想他們已經(jīng)絕望了，就像我們不能等待一樣。”Spirent Communications公司無線營銷副總裁Nigel Wright表示，“規(guī)范肯定開始集中到一種方法上，因此這是一個(gè)較低風(fēng)險(xiǎn)的策略。”

購買時(shí)機(jī)是測試設(shè)備業(yè)務(wù)中一直存在的問題。“人們何時(shí)才會(huì)真正進(jìn)行投資?他們會(huì)等到標(biāo)準(zhǔn)全部完成、甘愿冒著他們的競爭對(duì)手已經(jīng)推出某種解決方案并努力開發(fā)性能更好的設(shè)備所帶來的風(fēng)險(xiǎn)嗎?”Wright問道。

其它供應(yīng)商也承認(rèn)客戶興趣有所提高。“8×8 MIMO目前還在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中。今年我們已經(jīng)參加了圍繞802.11ac開展的許多活動(dòng)。”Lall透露。

問題是用戶如何避免現(xiàn)在購買的設(shè)備會(huì)限制他們的靈活性以及實(shí)現(xiàn)下一階段標(biāo)準(zhǔn)的能力。

“今天，我現(xiàn)有的解決方案能夠支持今后數(shù)年中將被商用化部署的任何功能。”Azimuth公司的Org表示。功能變化和新的拓?fù)溥x項(xiàng)通過生態(tài)系統(tǒng)傳播需要幾年時(shí)間，因此目前商用的設(shè)備完全可以支持。“現(xiàn)在LTE要求的最高階MIMO是8×2(8個(gè)基站天線/2個(gè)用戶設(shè)備(UE)天線)，能夠支持最多兩個(gè)空間層。”Org指出。

Azimuth公司于2012年發(fā)布了一項(xiàng)測試策略，這種策略主要考慮了購買者的想法。該公司計(jì)劃的未來產(chǎn)品、平臺(tái)和解決方案將滿足現(xiàn)實(shí)世界的測試覆蓋率和自動(dòng)功能要求。除了滿足用戶對(duì)測試設(shè)備的功耗、噪聲、尺寸和重量的要求外，Azimuth的平臺(tái)將支持最新協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)部署方面的測試挑戰(zhàn)，可支持高達(dá)200MHz的信道帶寬和16×16雙向MIMO拓?fù)洹?/p>

NI公司的Lall鼓勵(lì)正在考慮測試設(shè)備的客戶縮小選擇范圍。“他們應(yīng)看重靈活性或升級(jí)能力。”他認(rèn)為。如果目前的需求是2×2系統(tǒng)，用戶就需要正確評(píng)估潛在的設(shè)備，確保這些設(shè)備能夠支持未來的4×4或8×8系統(tǒng)。雖然這似乎是顯而易見的事，但Lall有辦法判斷潛在的選擇是否足夠靈活。

“如果你投資了某類測試設(shè)備，而你的發(fā)生器或分析儀又不能輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)時(shí)鐘或參考時(shí)鐘，這本身是個(gè)危險(xiǎn)信號(hào)。”Lall指出。簡單地輸出采樣時(shí)鐘不足以實(shí)現(xiàn)完整的MIMO系統(tǒng)，參考時(shí)鐘也必須輸出。“對(duì)客戶來說這是第一次認(rèn)識(shí)到我所投資的設(shè)備可能在未來無法升級(jí)。”

安捷倫的Suh指出了如果測試設(shè)備決策延遲的話可能會(huì)發(fā)生的另外一個(gè)問題：缺少數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。例如，芯片組供應(yīng)商和射頻客戶在測試結(jié)果不一致時(shí)可能會(huì)相互指責(zé)。Suh強(qiáng)調(diào)，從最古老的階段到目前的MIMO研發(fā)實(shí)驗(yàn)室，一個(gè)一致且廣泛的平臺(tái)有助于解決這個(gè)問題。

由于測試問題而推遲解決方案完成還意味著延緩技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品發(fā)布。因此供應(yīng)商和客戶需要集中精力找到真正有問題的地方，然后迅速解決。測試設(shè)備是這個(gè)過程中的一個(gè)重要部分。

可用性和不斷演進(jìn)的產(chǎn)品

為支持所有的MIMO種類，在任意階段實(shí)現(xiàn)MIMO或針對(duì)任何終端應(yīng)用的產(chǎn)品選擇范圍在繼續(xù)擴(kuò)大。例如，安捷倫推出的以LTE-A、LTE-FDD和LTE-TDD以及從設(shè)計(jì)、基帶、射頻、集成、協(xié)議到驗(yàn)證/預(yù)一致性測試的研發(fā)周期為目標(biāo)的產(chǎn)品完全可以滿足MIMO測試要求。

有些系統(tǒng)最多可以覆蓋8個(gè)通道，其它的系統(tǒng)最多是2個(gè)或4個(gè)通道。X系列SG接收機(jī)最多有16個(gè)通道。一些產(chǎn)品具有完整的功能，其它產(chǎn)品只具有一般性功能，特別是在發(fā)射領(lǐng)域。

安捷倫針對(duì)TD LTE MIMO和波束成形推出的解決方案是N7109A多通道信號(hào)分析儀和最新的89600矢量信號(hào)分析儀軟件(圖2)。N7109A已具有WiMAX和LTE MIMO測量功能。在這些功能基礎(chǔ)上增加的新功能可以完成多達(dá)8個(gè)通道的TD LTE波束成形及MIMO信號(hào)分析。

圖2：安捷倫科技的N7109A多通道信號(hào)分析儀可以滿足新興的多通道LTE、LTE-Advanced和MIMO射頻測量要求。

此外，針對(duì)MIMO 802.11ac開發(fā)的安捷倫MIMO PXI矢量信號(hào)分析儀可以提供對(duì)高達(dá)800MHz信號(hào)的分析。這種功能加上儀器的精度和速度可以幫助研發(fā)和測試工程師驗(yàn)證他們的MIMO 802.11ac設(shè)計(jì)。

為支持公司的最新測試策略，Azimuth Systems推出了第一款產(chǎn)品ACE MX2無線信道模擬器(圖3)。設(shè)計(jì)用于簡化測試實(shí)驗(yàn)室復(fù)雜性的這種信道模擬器還能滿足功耗、尺寸、重量和噪聲約束要求。例如，尺寸和重量比以前的解決方案少60%。一臺(tái)ACE MX2設(shè)備能同時(shí)處理具有雙向操作功能的TDD和FDD，最多可以支持8×4的MIMO系統(tǒng)。

圖3：Azimuth Systems的ACE MX2和ACE MX信道模擬器都是用于解決MIMO測試問題。利用內(nèi)置的實(shí)時(shí)衰落功能，ACE MX2 MIMO信道模擬器支持復(fù)雜的多用戶MIMO測試平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)以及載波聚合的評(píng)估。

中國電信技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(CTTL)是在中國電信研究院(CATR)領(lǐng)導(dǎo)下開展無線測試和認(rèn)證的一個(gè)組織機(jī)構(gòu)。2012年，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室選用了Sprirent VR5 HD空間信道模擬器進(jìn)行TD LTE設(shè)備測試，其中包括先進(jìn)的MIMO波束成形的實(shí)現(xiàn)。VR5也為其它Spirent測試設(shè)備提供了基礎(chǔ)。

“創(chuàng)建實(shí)際的MIMO波束成形信道、使相關(guān)的嚴(yán)格相位校準(zhǔn)過程自動(dòng)化并簡化測試的功能是我們最近發(fā)布的Spirent VR5解決方案的關(guān)鍵設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。”Spirent公司的Wright指出。在VR5基礎(chǔ)上搭建的MB5波束成形測試系統(tǒng)支持8×2和8×4 MIMO波束成形系統(tǒng)的測試以及要求802.11ac中規(guī)定的先進(jìn)相位校準(zhǔn)的其它應(yīng)用測試(圖4)。

圖4：Spirent Communications的MB5 MIMO波束成形測試系統(tǒng)可以用于基站、移動(dòng)設(shè)備和研究測試以及開發(fā)與設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

國家儀器展示了一款基于PXI平臺(tái)的8×8 LTE測試解決方案。同步結(jié)果令人印象非常深刻(圖5)。“我們已經(jīng)測試了在多個(gè)機(jī)箱間采用菊花鏈連接的10×10系統(tǒng)，每個(gè)通道之間的相位偏移測試結(jié)果在0.1°之內(nèi)，就算是查遍所有不同的無線標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)指標(biāo)也確實(shí)非常優(yōu)秀。這種解決方案完全能夠超過你的需求。”Lall保證。

圖5：用于802.11ac WLAN的NI測試解決方案在Tx和Rx端都支持4×4 MIMO。

除了測試802.11a/b/g/n設(shè)備外，NI的802.11ac WLAN測試解決方案還提供了測試802.11ac設(shè)備所需的靈活性。該解決方案可以滿足多達(dá)4×4 MIMO配置下收發(fā)方向的各種信號(hào)帶寬，包括20、40、80和160(80+80)MHz。該公司透露正在與幾家早期接觸的伙伴合作測試最新的802.11ac設(shè)備，合作伙伴包括了硅供應(yīng)商、OEM廠商和電子制造服務(wù)(EMS)提供商。

時(shí)間是個(gè)問題

MIMO顯然在測試領(lǐng)域引起了不小的轟動(dòng)，而2012年似乎是實(shí)現(xiàn)方面的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。“我們認(rèn)為MIMO的最大變化無疑是在無線LAN側(cè)，因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域的工程師正在努力實(shí)現(xiàn)3×3多用戶MIMO。” NI公司的LaLL表示。但隨著規(guī)范數(shù)量的增加，時(shí)間和技術(shù)問題仍然存在。

“從長期來看，用戶設(shè)備中的MIMO是未來最主要的測試挑戰(zhàn)之一。”安捷倫的Suh認(rèn)為。他并不認(rèn)為在很短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)遭遇這種挑戰(zhàn)，因?yàn)闃I(yè)界首先關(guān)注的是載波聚合。一旦這個(gè)問題得到解決，那些組織機(jī)構(gòu)的注意力就會(huì)轉(zhuǎn)移到用戶設(shè)備側(cè)的MIMO方面來。

即使802.11ac至少一年后才能完稿，但研發(fā)公司和學(xué)術(shù)界現(xiàn)在就需要開展測量工作。“肯定會(huì)有許多不同意見和爭吵發(fā)生，因?yàn)檫@不是一個(gè)簡單的問題。”安捷倫的Whitacre表示。

Spirent的Wright表達(dá)了對(duì)手機(jī)問題的關(guān)注。“在天線方面已經(jīng)出現(xiàn)了物理間距問題，因?yàn)槟阈枰獙⑻炀€分開來實(shí)現(xiàn)去耦，所以需要與波長相關(guān)的一定等級(jí)的物理空間。”他表示。從700MHz到最高3.5GHz的工作頻率范圍將引起關(guān)鍵的射頻實(shí)現(xiàn)挑戰(zhàn)。

但是，有跡象表明，業(yè)界可能已經(jīng)有了來自創(chuàng)新天線制造商的解決方案。“也許已經(jīng)有解決方案了，但對(duì)我們來說似乎仍有艱巨的挑戰(zhàn)需要解決。”Wright表示。即使供應(yīng)商相信已有解決方案，但他們?nèi)孕枰ㄟ^測試來驗(yàn)證。