提升LTE行動裝置驗證效能　電波暗室測試受矚目

為了確保能達到使用者期望的服務品質，測試工程師在測試MIMO行動裝置的整體效能時，必須考量天線的影響。MIMO空中下載(Over The Air, OTA)測試方法不使用電纜線連接待測裝置，訊號經由空中無線傳輸，而提供了和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)在2012年已制定出測試規範TR37.976和TR37.977，而CTIA預計將在今年6月推出測試規範。目前MIMO OTA測試主要有三種方案，包括電波回響室法(Reverberation Chamber)、兩階段天線場型測試法(Antenna Pattern and Two-stage Method)與多天線電波暗室測試法(Multi-antenna Anechoic Chamber Method)。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。

強化行動裝置聯網效能　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在行動裝置內，因為其特性會和原來的單獨天線明顯的不同。因此，在整體效能測試時，必須包含天線的影響。

傳導(Conducted)測試必須打開機殼，這經常造成不穩定的射頻(RF)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，傳導測試使用射頻連接頭取代天線，使得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，毋須電纜連接的OTA測試就顯得相對重要且更廣泛地被使用。

對於單輸入單輸出(SISO)裝置來說，通常會分別進行傳導測試和OTA測試兩種測試。傳導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測試常用來補足傳導測試所缺乏的天線特性，能更加完整地評估實際的射頻性能。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(Total Isotropic Sensitivity, TIS)、總輻射功率(Total Radiated Power, TRP)和平均有效增益(Mean Effective Gain, MEG)。

天線特性複雜度高　MIMO測試挑戰艱鉅

但是上述兩種SISO裝置測試方式卻對MIMO行動裝置不適用。因為MIMO裝置的性能取決於選擇的MIMO測試方法、基頻頻帶演算法、射頻表現、天線特性和射頻通道等要素。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的。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。

測試人員在測試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和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(Doppler)參數。但是MIMO寬頻行動裝置性能必須使用多維射頻通道參數，如衰落、延遲、都普勒、到達角度(Angle of Arrival, AoA)與極化等評估。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，藉此加速測試時程。

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)系列就很適合在MIMO OTA測試。GSCM系列模型包括3GPP空間通道模型(Spatial Channel Model, 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裝置(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。

妥當規畫參數設定　測試效率快又準

在MIMO測試中，要適當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)、資料封包丟失、降低系統性能甚至無法工作。

首先是延遲擴展(Delay Spread)；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。

其次是都普勒擴展(Doppler Spread)；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，這造成了訊號頻譜的擴展。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之後，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)集中而形成U字形。

第三是角度擴展(Angle Spread)；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。

第四是極化(Polarization)；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。第五是動態通道；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。

Correlation-Matrix-Based模型和GSCM(Geometry-based Stochastic Channel Model)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、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，以及天線通道來自待測物本身，沒有簡化或假設。

MIMO OTA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是極其重要的。傳導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；首先是使用GSCM中傳導測試時在射頻通道模擬器中加入射頻與天線特性的模型；其次是採用MIMO OTA測試方法。

第一種方法須另外單獨測量裝置的天線輻射場圖型，並將它加入到通道模型中。這在理論上行得通，但是單獨測量天線並獲得正確結果卻很困難，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測試方法則完全沒這個困擾，行動裝置的射頻與天線特性本身就包含在測試的過程中，不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)。它準確地模擬了幾何隨機通道模型，最適合MIMO行動裝置測試。它可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，且毋須打開裝置機殼的情況下測量性能。它可用來評估位錯誤率(BER)、幀錯誤率(FER)、傳輸速率、不同的服務品質(QoS)參數或甚至是正在執行網頁瀏覽或視頻流程式當時的端到端性能。

圖1　2XN的MIMO OTA系統

先進電波暗室助陣　多天線測試更加精準

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，八天線是最合適的。表1為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，考慮靜態區大小，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。

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、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，測試人員可以在電波暗室中建立不同類型的射頻環境，如室內、城市和郊區。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顯示了一個2×N MIMO OTA測試的連接範例。從BS有二個傳輸訊號，行動裝置的天線數目則未知。此設置使用八個MIMO OTA天線。

如圖2所示，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，電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2　MIMO OTA映射演算法軟體

通道模型中的每一個別路徑訊號都有個別的到達角度資訊(表2)。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所需的到達角度。

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(PAS)，如圖3所示，可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。

圖3　(a)為通道模型的角度功率頻譜；(b)為映射到OTA天線的角度功率頻譜。

BS端的天線位置、PAS、發射角度(AoD)則利用通道模擬器產生。其他包括衰落、都普勒、BS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，使得測試更加複雜。

然而，DUT天線相關係數和其他特性都不須事先知道，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。

靜態區(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。通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。

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。MIMO OTA測試項目主要以MIMO傳輸速率、總全向靈敏度(TIS)、CQI(Channel Quality Indicator)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，這些測試項目對測試人員相當重要。

本文討論了電波暗室的MIMO OTA行動裝置的測試方法。使用上述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，並可提供各種角度相關的性能測試而且使用容易，適用於各種新MIMO技術的研發或產品驗證。

目前3GPP和CTIA正在緊鑼密鼓制定中的規範也是以此架構為主。在手持式行動裝置的國際品牌廠商和營運商，也都早已開始採用電波暗室MIMO OTA來驗證產品性能，快速完成產品測試。

(本文作者任職於SGS)