面向汽車的MIMO OTA測(cè)試技術(shù)

李雷，魏貴明，姜國(guó)凱，馮家煦，吳翔

專題：移動(dòng)通信（5G）測(cè)試

面向汽車的MIMO OTA測(cè)試技術(shù)

李雷1，魏貴明1，姜國(guó)凱2，馮家煦2，吳翔1

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

汽車智能網(wǎng)聯(lián)是當(dāng)前交通產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要方向之一。通過(guò)汽車與周圍車輛、行人、交通設(shè)施、蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，提升交通網(wǎng)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(píng)估整車通信性能是業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，然而目前尚缺少成熟的解決方案，特別是面向整車產(chǎn)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(cè)量系統(tǒng)的搭建方法，并針對(duì)整車空口測(cè)試提出了一種低成本解決方案，可以在信道模擬器數(shù)字通路受限的情況下，通過(guò)數(shù)字變換，成倍拓展測(cè)試區(qū)域。數(shù)字仿真結(jié)果表明，基于此方案所構(gòu)造的測(cè)試區(qū)域，其空間相關(guān)性、時(shí)間相關(guān)性均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

汽車空口測(cè)試；多探頭吸波暗室；空間相關(guān)性；時(shí)間相關(guān)性

1 引言

多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）通過(guò)在收發(fā)兩端配置多路天線，基于合適的空時(shí)編碼技術(shù)，可以在相同的時(shí)頻資源上傳輸多流數(shù)據(jù)，從而成倍地提升系統(tǒng)的頻譜效率，是長(zhǎng)期演進(jìn)（long term evolution，LTE）和新空口（new radio，NR）接入網(wǎng)絡(luò)的核心物理層技術(shù)之一。MIMO系統(tǒng)實(shí)際性能表現(xiàn)主要與3方面有關(guān)：無(wú)線傳輸環(huán)境、收發(fā)信機(jī)基帶算法和多天線設(shè)計(jì)。移動(dòng)通信的復(fù)雜空口給硬件和算法設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。為了準(zhǔn)確評(píng)估MIMO系統(tǒng)的實(shí)際性能表現(xiàn)，便于產(chǎn)品快速優(yōu)化，無(wú)線通信工程師希望在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)外場(chǎng)的無(wú)線傳輸環(huán)境，然后定量地考查基帶和天線的整體性能。這首先涉及無(wú)線環(huán)境的數(shù)學(xué)建模，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，無(wú)線信號(hào)從發(fā)送端到接收端經(jīng)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(hào)的功率大??；小尺度衰落包含多徑和多普勒，導(dǎo)致時(shí)間和頻率選擇性衰落，影響基帶解調(diào)性能。多徑是無(wú)線信號(hào)在空間、時(shí)間、極化等維度上的延展，可以用多徑時(shí)延譜、空間角度功率譜、多普勒頻偏功率譜、極化泄露比等進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。一種典型的建模方法是基于隨機(jī)幾何的空時(shí)信道模型，如WINNER模型。實(shí)際信號(hào)傳輸中，可能在散射體之間發(fā)生多次反射，為了增強(qiáng)數(shù)學(xué)模型可塑性，空時(shí)信道模型忽略中間反射過(guò)程，只對(duì)首尾散射體進(jìn)行建模。一種在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)這種信道模型的方法如圖1所示，將多個(gè)天線探頭放置在被測(cè)設(shè)備周圍，模擬真實(shí)環(huán)境下來(lái)自不同方位的多徑信號(hào)，并且通過(guò)空口（over-the-air，OTA）建模方法，保證實(shí)驗(yàn)室與外場(chǎng)的無(wú)線環(huán)境的一致性。這種測(cè)試方法被稱為基于多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC）的MIMO OTA測(cè)試方法。

目前業(yè)界主要有3種MIMO OTA測(cè)試方案[1]，分別是MPAC、混響室以及基于傳導(dǎo)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(shí)信道模型，目前在業(yè)界認(rèn)可度最高，因此，本文僅討論MPAC方案。CTIA（Cellular Telecommunications and Internet Association，美國(guó)無(wú)線通信和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)）和3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]給出了MPAC方案系統(tǒng)搭建方法和模型驗(yàn)證方法。參考文獻(xiàn)[1]規(guī)定了一種LTE 下行雙流MIMO OTA性能測(cè)試系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證方法，參考文獻(xiàn)[3]引用了CTIA標(biāo)準(zhǔn)并規(guī)定了其他多種MIMO OTA的測(cè)試方法。

圖1 在實(shí)驗(yàn)室中復(fù)現(xiàn)這種信道模式的方法

通信行業(yè)中典型的MPAC MIMO OTA系統(tǒng)框架如圖2所示。在測(cè)試區(qū)域周圍布置若干個(gè)離散的天線探頭，每個(gè)天線探頭發(fā)出的信號(hào)模擬了來(lái)自遠(yuǎn)場(chǎng)的一條信號(hào)分量，通過(guò)合理控制每個(gè)天線探頭的功率與相位，這些離散信號(hào)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(shí)環(huán)境下來(lái)自四面八方的到達(dá)信號(hào)空間分布特征。暗室外面的信號(hào)模擬器基于數(shù)字仿真，復(fù)現(xiàn)了信號(hào)傳輸過(guò)程中的多徑時(shí)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(hào)，彌補(bǔ)空口傳輸帶來(lái)的路徑損耗；基站模擬器用于建立通信鏈路，執(zhí)行下行灌包和統(tǒng)計(jì)吞吐量等。被測(cè)終端吞吐量速率主要與收發(fā)信機(jī)之間信道的空間相關(guān)性有關(guān)，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]，空間相關(guān)性與角度功率譜是傅里葉變換的關(guān)系，因此在圖2所示的測(cè)試區(qū)域內(nèi)，準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)目標(biāo)信道的角度功率譜是MIMO OTA信道驗(yàn)證工作的核心內(nèi)容之一。另外，在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)終端的尺寸必須小于所構(gòu)造測(cè)試區(qū)域。

2 汽車MIMO OTA測(cè)試的挑戰(zhàn)與解決方案

2.1 面向整車測(cè)試方案的挑戰(zhàn)

圖2 一種典型的MPAC MIMO OTA系統(tǒng)框架

表1 典型商用5G/LTE智能手機(jī)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(gè)被測(cè)設(shè)備，測(cè)試區(qū)域的直徑至少需要5 m（小型轎車），在5.9 GHz車聯(lián)網(wǎng)頻段上，根據(jù)式（1）計(jì)算得到的離散探頭數(shù)為621個(gè)，基于現(xiàn)有MIMO OTA技術(shù)，每個(gè)天線均需要與一個(gè)信道模擬器（channel emulator，CE）輸出端口連接，因此需要621個(gè)CE端口，大約對(duì)應(yīng)于10臺(tái)是德科技F64或者78臺(tái)思博倫VERTEX，并且無(wú)論是系統(tǒng)搭建、環(huán)境校準(zhǔn)，其復(fù)雜度都是無(wú)法承擔(dān)的。此外，一臺(tái)信道模擬器的成本一般在數(shù)百萬(wàn)到千萬(wàn)級(jí)別，如果按照上述思路開(kāi)發(fā)面向整車的MIMO OTA系統(tǒng)，系統(tǒng)建設(shè)成本將十分高昂。因此本文考慮引入低成本的數(shù)字變換器，基于算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化，在成本可控的條件下，實(shí)現(xiàn)測(cè)試區(qū)域的拓展。

2.2 整車MIMO OTA測(cè)試新架構(gòu)

本文提出了一種新型的MIMO OTA系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)（如圖3所示），與典型系統(tǒng)架構(gòu)（如圖2所示）不同，在暗室天線探頭和CE中間引入數(shù)字變換網(wǎng)絡(luò)，將CE的每路輸出通過(guò)修改功率和添加時(shí)變隨機(jī)相位，可以數(shù)倍或者十幾倍地拓展數(shù)字通道，從而降低對(duì)CE通道資源的要求。在第3節(jié)的仿真驗(yàn)證中可以看到，本文提出的架構(gòu)可以在已有8探頭暗室條件下，將拓展區(qū)域由0.7倍波長(zhǎng)拓展至10倍波長(zhǎng)。

2.3 數(shù)字變換網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)原理

圖3 面向整車的新型MIMO OTA系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

3 數(shù)字仿真驗(yàn)證

3.1 數(shù)字仿真參數(shù)說(shuō)明

本文采用參考文獻(xiàn)[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(qū)場(chǎng)景的信道參數(shù)，進(jìn)行空間相關(guān)性（計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]）和時(shí)間相關(guān)性（計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn)[3]）的數(shù)字仿真。主要對(duì)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(cè)試區(qū)域?？找?jiàn)相關(guān)性驗(yàn)證中，測(cè)試區(qū)域采點(diǎn)方式如圖4所示。時(shí)間相關(guān)性驗(yàn)證的時(shí)間范圍與參考文獻(xiàn)[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(shè)發(fā)射和接收機(jī)均為垂直極化。

圖4 空間相關(guān)性驗(yàn)證區(qū)域采點(diǎn)方式

對(duì)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(shù)字變換，CE 8探頭優(yōu)化方案（本文方案）；

（4）數(shù)字變換，CE 2探頭優(yōu)化方案（本文方案）。

主要對(duì)比不同方案的空間相關(guān)性和時(shí)間相關(guān)性與理論模型的近似程度。

3.2 空間相關(guān)性驗(yàn)證

首先對(duì)比本文提出的基于數(shù)字變換的CE 2探頭優(yōu)化方案與典型CE 8探頭方案，在1倍波長(zhǎng)范圍內(nèi)測(cè)試區(qū)域中的空間相關(guān)性情況。在圖5中，首先給出了CTIA的4條標(biāo)準(zhǔn)空間相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的MIMO OTA實(shí)驗(yàn)室，要求在1倍波長(zhǎng)測(cè)試區(qū)域內(nèi)的空間相關(guān)性曲線不得超出上界和下界。基于數(shù)字變換CE 2探頭曲線和典型方案CE 8探頭曲線，是基于數(shù)字仿真，并利用信道沖擊響應(yīng)函數(shù)，根據(jù)式（3）計(jì)算得出。理論值曲線則是根據(jù)探頭的功率分布，按照瑞利衰落條件下的空見(jiàn)相關(guān)性計(jì)算式推演得出（詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)[7]）。從圖5中可以看到，無(wú)論是本文提出的數(shù)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(zhǎng)測(cè)試區(qū)域范圍內(nèi)逼近CTIA理想探頭布局曲線。

圖5 數(shù)字變換CE 2探頭與典型CE 8探頭空間相關(guān)性性能對(duì)比

繼續(xù)對(duì)比本文提出的基于數(shù)字變換的CE 8探頭優(yōu)化方案與典型CE 32探頭方案，在圖4所示的10倍波長(zhǎng)范圍內(nèi)的測(cè)試區(qū)域中的空間相關(guān)性變化。在圖6中可以看到，基于數(shù)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(zhǎng)測(cè)試區(qū)域范圍內(nèi)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(guò)0.1。

圖6 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭空間相關(guān)性性能對(duì)比

3.3 時(shí)間相關(guān)性驗(yàn)證

按照3GPP或者CTIA規(guī)定的時(shí)間相關(guān)性驗(yàn)證方法，仿真驗(yàn)證本文提出的基于數(shù)字變換的CE 2探頭優(yōu)化方案與典型CE 8探頭方案，以及基于數(shù)字變換的CE 8探頭優(yōu)化方案與典型CE 32探頭方案在測(cè)試區(qū)域中心的時(shí)間相關(guān)性變化曲線。圖7和圖8中，分別給出了CTIA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的時(shí)間相關(guān)性理論曲線、上界曲線、下界曲線，其中，軸代表以中心與反點(diǎn)波長(zhǎng)為單位的時(shí)間刻度，按照參考文獻(xiàn)[3]第A2.2.1節(jié)的要求，對(duì)時(shí)間乘以速度除以波長(zhǎng)?；跀?shù)字變換CE 2探頭、8探頭時(shí)間相關(guān)性曲線，以及基于典型方案的8探頭、32探頭時(shí)間相關(guān)性曲線是按照式（4），利用時(shí)域信道沖擊影響函數(shù)計(jì)算得出的。圖7和圖8中的理論曲線根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]和參考文獻(xiàn)[10]中定義的SCME子徑空間分布、子徑功率、用戶運(yùn)動(dòng)速度等計(jì)算多普勒功率譜，然后進(jìn)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(shù)字變換CE 2通道，數(shù)字變換8通道MIMO OTA系統(tǒng)重構(gòu)方法，與典型方案CE 8通道和典型方案CE 32通道的相應(yīng)時(shí)間相關(guān)性曲線在5倍波長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)基本保持一致，同時(shí)與理論曲線變化趨勢(shì)一致，偏差較小，并且處于CTIA規(guī)定上界和下界的范圍內(nèi)。

圖7 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時(shí)間相關(guān)性性能對(duì)比

圖8 數(shù)字變換CE 8探頭與典型CE 32探頭時(shí)間相關(guān)性性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

MIMO OTA測(cè)試技術(shù)首先發(fā)展于通信產(chǎn)業(yè)，支持小型智能終端空口性能的定量考查。隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，汽車開(kāi)始更多地與網(wǎng)絡(luò)及周圍交通參與者進(jìn)行通信，準(zhǔn)確驗(yàn)證汽車空口實(shí)際性能表現(xiàn)將會(huì)成為汽車產(chǎn)業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)內(nèi)容，特別是涉及道路安全的通信場(chǎng)景。本文展示了一種面向汽車的新型MIMO OTA測(cè)試系統(tǒng)搭建方法，從時(shí)間相關(guān)性和空間相關(guān)性兩個(gè)維度驗(yàn)證所提方案的可行性。根據(jù)數(shù)字仿真結(jié)果，使用少量的信道模擬器通道，基于適當(dāng)?shù)臄?shù)字變換，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試區(qū)域的明顯拓展，從而極大地降低汽車整車MIMO OTA系統(tǒng)搭建成本。后續(xù)將在兩個(gè)方面繼續(xù)開(kāi)展相應(yīng)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(wú)線信道特征與蜂窩基站和手機(jī)之間有明顯區(qū)別，下一步將開(kāi)展車聯(lián)網(wǎng)信道模型研究，探討不同場(chǎng)景、不同信道模型下的整車性能評(píng)估方法。二是測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法和不確定度分析，由于引入了新的設(shè)備，如何準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行鏈路功率和相位校準(zhǔn)是面臨的一個(gè)重要問(wèn)題，特別是數(shù)字變換器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性（例如功率相位隨溫度、時(shí)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(guó)信息通信研究院工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信原理與系統(tǒng)、無(wú)線信道建模與分析、MIMO OTA性能測(cè)試技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)性能測(cè)試方法等。

魏貴明（1970? ），男，中國(guó)信息通信研究院移動(dòng)通信創(chuàng)新中心常務(wù)副主任，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等。

姜國(guó)凱（1990? ），男，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車電磁兼容和通信質(zhì)量測(cè)評(píng)。

馮家煦（1994? ），男，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車通信質(zhì)量測(cè)試評(píng)價(jià)。

吳翔（1979? ），男，中國(guó)信息通信研究院高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信、射頻、電磁兼容等。