行動裝置的資料傳輸速率日益增加。為了達成提升速率的性能要求，愈來愈多新的行動裝置如無線區域網路(Wi-Fi)、高速上鏈封包存取(HSUPA)、全球微波存取互通介面(WiMAX)、長程演進計畫(LTE)都採用多天線的多重輸入多重輸出(MIMO)技術來設計。
為了確保能達到使用者期望的服務品質，在測試MIMO之行動裝置的整體效能時，必須包括天線的影響。MIMO空中下載(OTA)測試方法不使用纜線連接待測裝置，訊號經由空中無線傳輸，而提供與使用者相同情況的真正性能測試方法。這是評估產品在真實的射頻通道條件中的傳輸速率的最佳方法。第三代合作夥伴計畫(3GPP)也即將訂出規範。本文將詳細介紹目前最成熟且完整的電波暗室MIMO OTA測試原理與方法。
天線測試不可少
理論上，N×N的MIMO技術可以提高N倍的無線容量，N是傳輸和接收天線的數量。但是，這只有在非常特殊的射頻通道條件和幾近理想的天線才可以實現。MIMO行動裝置開發過程中所面臨的主要挑戰之一，是如何將多個天線設計到裝置內。因為這時候的天線會與原來單獨天線有著顯著不同的特性。因此，在整體效能測試時必須包括天線的影響。
連接式測試必須打開機殼，這經常造成一個不穩定的射頻連接。在研發階段勉強可以接受，但是並不適合最終產品的性能評估。此外，連接式測試使用射頻連接頭取代天線，此時待測裝置的整體射頻特性已經不同於實際狀況。尤其在MIMO行動裝置中無線容量的增加必須依賴個別天線分別收到不相關(Un-Correlated)的訊號來達成。因此，無需電纜連接的OTA測試就變得更加重要，且更廣泛地被使用。
對單一輸入單一輸出(SISO)裝置來說，通常會分別進行連接式測試和OTA測試。連接式測試需要訊號源(基地台或模擬器)、一個射頻通道模擬器和待測裝置。通道模擬器產生引接式延遲線(TDL)模型所需的多重路徑衰落訊號。訊號源的訊號連接到通道模擬器，再連接到天線接頭或相對應的基帶接頭。在全雙工通訊中但不同通道條件下，可以測試待測裝置是否能夠適應基地台依照通道狀態資訊(CSI)所控制產生的不同調製和編碼。以上的測試是完全不考慮天線的影響。因此，天線性能需要另外的OTA測試。
SISO OTA測試常用來補足連接式測試所缺乏的天線特性，以更加完整地評估實際的射頻性能。待測裝置和基地台天線放置在一個電波暗室中，基地台模擬器和待測裝置建立一個通訊連接。待測裝置通常放置於暗室的中心，它可以旋轉，以測試在不同角度的輻射性能。SISO OTA測試主要在評估和天線增益相關的各項參數如全方向靈敏度(TIS)、總輻射功率(TRP)和平均有效增益(MEG)。
MIMO測試比SISO更嚴謹
對於SISO裝置，以上兩種結果可以直接組合。這對MIMO行動裝置並不適用。MIMO裝置的性能取決於所選的MIMO方法、基頻演算法、射頻表現、天線特性和射頻通道影響。天線特性與電波傳播也是密切相關的。例如，空間相關係數(Spatial Correlation)取決於多重路徑的角擴展(Angular Spread)和多天線間的距離、交互耦合及輻射場圖型等。MIMO OTA測試方法就是為了符合這個需求而設計。其原理是在電波暗室中產生多個多重路徑訊號，且分別從不同角度傳達待測裝置。
在測試MIMO行動裝置的最佳性能時，通道模型的角色是很重要的。從測試的觀點來看，SISO與MIMO之間的主要區別是通道模型參數的多寡。SISO測試僅需要最簡單的衰落和都普勒參數。但是MIMO寬頻行動裝置性能必須使用如衰落、延遲、都普勒、到達角度、極化等多維射頻通道參數來評估。使用者也可以將這些參數任意組合來評估行動裝置的最佳MIMO性能。
MIMO OTA測試中最關鍵的挑戰是如何在電波暗室中產生一個最接近真實環境的空間、角度和極化行為的射頻通道模型。幾何隨機通道模型(Geometry Stochastic Channel Model, GSCM)系列就很適合於MIMO OTA測試。GSCM系列模型包括3GPP空間通道模型(SCM)、擴展空間通道模型(SCME)、WINNER和IMT-A通道模型。
經由這類模型所產生的多重路徑訊號在傳到待測物(DUT)天線端時會具有適當的角度和極化特徵，因此可以在DUT天線端產生適當的相關係數。
測試時須設定相關參數
在MIMO測試中，要適當地選擇通道模型及設定以下參數，不正確的設定可能產生符際干擾(Inter-symbol-interference)、資料包丟失、降低系統性能甚至無法工作：
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發射機送出的一個脈衝訊號，經由多重路徑效應會造成數個可解析的路徑，所以在接收機端會收到來自不同路徑卻包含相同資訊的訊號，每個可解析路徑的訊號皆有特定的延遲。
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當發射機和接收機有相對運動時，訊號便有都普勒偏移的產生，這造成訊號頻譜的擴展。在沒有都普勒效應影響下，訊號的功率密度頻譜(Power Density Spectrum)為一脈衝函數(Delta Function)，所有的訊號能量會集中在中心頻率附近，一旦發射機和接收機有相對運動後，都普勒效應將會使功率密度頻譜往最大都普勒偏移(Maximum Doppler Shift)fm集中而形成U字形。
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越大的角度擴展和越遠的距離，將會使接收訊號的相關係數越低，並能夠提供更大的多樣性增益(Diversity Gain)。越小的角度擴展則可以有效地使用波束形成技術。然而，相關係數不僅取決於對傳播的角度，也和天線特性密切關聯。這兩個項目必須要同時測試。
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交叉極化比(XPR)會影響極化分集的性能。XPR對待測裝置性能的真正影響取決於射頻通道條件和天線特性。
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瞬間射頻通道狀態也決定了三種MIMO模式中那一個是最有效的。因此，一個先進的系統會自我選擇時空編碼技術、空間多工和波束形成中的一種技術來達成的覆蓋面和資料輸送量要求。測試時便須要使用動態通道模型。
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相關矩陣型模型和GSCM模型都考慮所有上述的射頻通道現象，但前者已經包括天線訊息在模型中。因此只有GSCM是適用於MIMO OTA測試。GSCM模型的好處包括：保留射頻通道的物理特性，具有訊號到達角度的行為，是真實的(參數是基於實地測量而來)，不含天線模型的傳播通道(因此其與天線無關)，提供正確的空間相關係數，支援極化模型，不同的通道模型參數之間有連結性如角度和延遲之間或角度和都普勒之間，天線通道來自待測物本身，沒有簡化或假設。
天線特性須納入考量
行動裝置的射頻與天線特性的真實模型對裝置性能測試極其重要。連接式測試無法直接考慮到天線輻射特性，這不可避免地會導致不切實際的測量結果。有兩種方法可以在測試中考慮到天線特性，一是使用GSCM中連接式測試時在射頻通道模擬器中加入射頻與天線特性的模型，二為採用MIMO OTA測試方法。
第一種方法需要另外單獨測量裝置的天線輻射場圖型，並將它加入通道模型中。理論上行得通，但是單獨測量天線並獲得正確結果很困難，因為連接電纜到行動裝置內部而不改變其射頻特性及天線輻射場圖型是不可能的。MIMO OTA測試方法完全沒這個困擾，行動裝置的射頻與天線特性本身就包含在測試的過程中，毋須另外專門建立模型。
MIMO OTA方法採用一個電波暗室和一個射頻通道模擬器(圖1)。它準確地模擬出幾何隨機通道模型，最適合MIMO行動裝置測試。它可以在行動裝置的周圍建立一個任意的多重路徑環境。在不使用電纜連接線而且毋須打開裝置機殼的情況下測量性能。它可以用來評估位錯誤率(BER)、幀錯誤率(FER)、傳輸速率、不同的服務品質(Qos)參數，甚至是正在執行網站瀏覽或視訊串流程式當時的端到端性能。
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| 圖1 2×N的MIMO OTA系統 |
八支天線最為合適
在一個電波暗室中輻射訊號會被牆壁、天花板和地板的吸波材料吸收，因而不會生成任何多重路徑傳播。因此，多重路徑訊號必須透過射頻通道模擬器和OTA天線來產生。以手持式行動裝置的測試來說，八支天線是最合適的。以下列出MIMO OTA系統所需的組件：
MIMO OTA使用多個圍繞DUT的天線來產生所需的空間通道特性。天線的數量和位置須最佳化，考慮靜區大小，以獲得足夠的準確性。對手持式裝置來說，八個天線就足夠，但如果是筆記型電腦或更大的DUT可能需要十六個天線。圖2分別畫出八個單極化和八個雙極化(水平和垂直)天線的設置。
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| 圖2 天線數量對靜區大小的影響 |
實際上，天線會平均且對稱地分布在以DUT為圓心的圓周上。每一天線的輻射場圖型都應記錄，而且天線之間的交互偶和值應小於1dB。若使用雙極化天線則須選擇交叉極化比大於20dB的天線。每一個天線都連接到通道模擬器單獨的一個輸出埠。此配置可模擬通道模型中多個路徑訊號幾乎同時分別從不同角度到達DUT。
通道模擬器連接於發射器和接收器之間，負責產生通道模型所設定的各項參數如路徑損失、映射技術(Shadowing)、多重路徑衰落、延遲擴展、都普勒擴展、角度擴展、極化效應、噪音和干擾。這整個過程都是準確、可控制、完全可重複的。
利用通道模擬器，可以在電波暗室中建立不同類型的射頻環境，如室內、城市微蜂窩、城市巨細胞和郊區。模擬器中可以選擇執行各種幾何隨機通道模型如GSCM SCM、SCME、WINNER和IMT-A。模擬器具備完全由軟體控制通道模型的能力，並利用檔案架構的模擬方法，將GSCM模型轉換為MIMO OTA模型。模擬器提供每一個OTA天線一個單獨的輸出埠以便在電波暗室中建立所需的電磁場。圖1顯示一個 2×N MIMO OTA測試的連接範例。從BS有兩個傳輸訊號，行動裝置的天線數目則未知。此設置使用八個MIMO OTA天線。
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| 圖3 MIMO OTA映射演算法軟體 |
MIMO OTA軟體包含映射演算法和校準程式。映射演算法負責將幾何隨機通道模型轉換為OTA測試模型。映射演算法須考慮天線與DUT的相對位置，才能在DUT周圍產生所需的傳播特性。此外，纜線和天線射頻特性校準資訊會被計算到Tap參數中以便得到正確結果(圖3)。
通道模型中的每一個別路徑訊號都有個別的AoA資訊(表1)。藉由分配個別路徑到幾何位置合適的天線，通道模型中的方向資訊就可以適當地連結到電波暗室的天線。如果某一路徑的到達角度AoA實際上指向兩個OTA天線之間的角度，演算法就會調整相鄰天線的訊號權重，以便達成該角度。這使得系統可以模擬任何DUT所需的AoA。
映射演算法還須對通道模擬器每一通道的輸出功率加上適當權重，以便產生符合的角度功率頻譜(Power Angular Spectrum, PAS)(圖4～5)。如此一來，就可以在待測裝置天線處建立一符合原始模型的功率延遲分布、快速衰落和空間影響特徵的複合訊號。
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| 圖4(左) 通道模型的角度功率頻譜、圖5(右) 映射到OTA天線的角度功率頻譜 |
基地台端的天線位置、PAS、發射角度(AoD)則利用通道模擬器來產生。其他包括衰落、都普勒、基地台天線相關係數、極化資訊、功率延遲分布等參數也同時被適當地加到各個通道中。但是，DUT天線相關係數和其他特性都不須要事先知道，因為測試過程中直接使用DUT來傳輸訊號，其真正的射頻及天線特性已經包括在內。所以，映射演算法軟體是MIMO OTA系統中的一個重要關鍵。
靜區(Quiet Zone)內電磁場的大小是已知的。只有當DUT位於靜區內時，測試結果才可以達到所需的準確度。天線的數量會影響靜區大小進而影響測試的準確度。透過計算空間相關係數，可以計算出天線數量對靜區大小的影響。圖2利用一維和二維圖型顯示天線數量對空間相關係數的影響。從中可以粗略估計出靜區大小。例如使用八個天線時，靜區大小約為0.9波長。大約是與二維圖中最大圓的大小相同。
透過模擬/實測來驗證
驗證MIMO通道模型在電波暗室中是否準確地重現，是一項重要工作。特別是包括衰落現象、延遲擴展、都普勒擴展、傳播方向、極化和空間相關係等重要關鍵參數。圖6～10即是透過模擬和實際測量數據來驗證。圖6所示為振幅分布的機率分布函數(PDF)。在模擬中都使用單一裝置天線所接到的訊號來比較OTA和原始模型。OTA的振幅PDF和理論Rayleigh分布作比較。原始模型的衰落係數是由過濾複數高斯雜訊所產生。因此振幅分布應完全符合Rayleigh分布。在圖中可以看到相當符合的數據。
圖7則顯示實測的功率延遲分布(Power Delay Profile, PDP)和原始的SCME TDL模型相當吻合。圖8描繪了理論和OTA方法的都普勒頻譜也是一致的。圖9是當到達角度AoA實際上指向兩個OTA天線之間的角度時的水平方位功率頻譜(PAS)。這個量測是由多維通道響應器(EB Propsound Channel Sounder)所測得，與OTA設定完全匹配。
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| 圖6(左) 振幅分布的機率分布函數、圖7(右) 實測和原始模型的功率延遲分布 |
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| 圖8(左) 理論和OTA方法的都普勒頻譜、圖9(右) 當到達角度指向兩個OTA天線之間的PAS |
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| 圖10 從三個不同極化測量到的PDP |
圖10顯示從垂直、水平和水平旋轉90度三個不同極化測量到的SCME TDL模型的功率延遲分布PDP。可以看到路徑功率大小強烈取決於極化。從圖6～10所示，能夠看出所有重要的通道特性驗證的結果。MIMO OTA確實可以在靜區內產生所需的射頻傳播特性。
校準測試系統時，使用已知增益特性的參考天線取代DUT。將一個無衰落的CW校準訊號每次從單一個OTA天線發射給參考天線接收，計算從訊號源到參考天線的路徑損失。在校正中使用的通道模型是靜態傳播條件(1 Tap、無衰落、最大輸出功率通道)。每個OTA天線路徑都須單獨校準。個別路徑損失數值將作為調整該路徑訊號的依據。其目的是經過每一路徑到達參考天線的訊號應該一致。
為了驗證每個OTA天線路徑已經正確校準，可以進行DUT靈敏度測量。使用靜態傳播通道模型(1 Tap、加入AWGN)。訊號經過單一OTA天線路徑，每次旋轉DUT 45度，完成個8角度後換到下一天線路徑，再作8個角度測量直到完成全部路徑和角度。如果有正確校準，這些數值應該相當一致在±1dB之內。
MIMO OTA的測試步驟為：先準備如圖1所示之整體配置，使用MIMO OTA軟體校準整個系統，將所需的通道模型包括SCME Urban Microcell和Macrocell兩種載入到射頻通道模擬器中；從基地台產生成一個下行測試訊號通過射頻通道模擬器和MIMO OTA天線到達DUT，而上行訊號使用單獨的天線接回到基地台，調整平均通道功率到約最大傳輸速率的50%時，並記錄此參考功率位準，從參考功率位準-8dB開始量測各測試項目，每次增加2dB重複上述量測直到參考功率位準+8dB為止，旋轉DUT到45度，並重複上述量測。
MIMO OTA測試項目主要以MIMO傳輸速率、總全向靈敏度(TIS)、通道品質指示(Channel Quality Indicator, CQI)為主，也可以測試空間相關係數、增益不平衡度、天線效率、平均有效增益(MEG)等。
電波暗室MIMO OTA成測試主流
以上討論了電波暗室的MIMO OTA行動裝置的測試方法。行動裝置在可重複的實驗室條件中，真正測得其MIMO整體設計和天線影響。這種方法的優點是可以在電波暗室中正確產生出各種符合標準射頻通道模型的訊號，使用容易，且提供各種角度相關的性能測試，毋須預先知道待測裝置天線輻射場圖型，沒有額外的假設與過度簡化，彈性極大，適用各種新MIMO技術的研發或產品驗證。
目前3GPP和行動電話產業協會(CTIA)正在制定中的規範也是以此架構為首選。在OTA領域的市場領導廠商如伊特林(ETS-Lindgren)或Satimo，也都以毅獅科技通道模擬器為基礎，且早已推出成熟產品(圖11～12)。在手持式行動裝置和電腦界的國際領導品牌廠商和營運商，也都早已開始採用電波暗室MIMO OTA來驗證產品性能。因為他們所追求的不只是通過規範的最低要求而已，而是品質性能高於同業的卓越品牌價值。
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| 圖11 ETS-Lindgren的AMS-8700 MIMO OTA系統 |
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| 圖12 Satimo的StarMIMO MIMO OTA系統 |
(本文作者為毅獅科技亞太區行銷經理)