第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（5G）目前已經(jīng)得到了全球企業(yè)、研究院所和高校的廣泛關(guān)注和大量研究，大規(guī)模MIMO技術(shù)被認(rèn)為是未來5G中的一項(xiàng)重要技術(shù)，主要用于提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量。一個結(jié)論是不能采用傳導(dǎo)方式評估輻射方向圖性能，因此必需通過OTA方式。本文介紹使用OTA測試裝置測量天線三維方向圖的技術(shù)要點(diǎn)。
即將推出的5G標(biāo)準(zhǔn)在獲得更低運(yùn)營成本(OPerational EXpenses, OPEX) 的同時確保更高的吞吐率、更多的容量和實(shí)現(xiàn)的靈活性。其他目標(biāo)包括超可靠低延遲通信(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) 和大規(guī)模機(jī)器類型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software Defined Network, SDN) 和大規(guī)模MIMO 多天線場景很可能是實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的技術(shù)選擇。
為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐，5G 系統(tǒng)將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個缺點(diǎn)是自由空間路徑損耗將更大。提供更高天線增益的天線陣列可以補(bǔ)償自由空間路徑損耗。與900MHz 相比，為了在28GHz 頻率上保持相同的接收功率，意味著天線增益要增加30dB。使用大量天線單元并控制能量方向，稱作波束賦形，可以實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)。
波束賦形技術(shù)通過分配給每個用戶設(shè)備(UE) 的信號只瞄準(zhǔn)相應(yīng)的單個用戶設(shè)備，顯著降低了能量消耗。而沒有使用波束賦形的基站，未被UE 接收的能量可能對相鄰的多個UE 產(chǎn)生干擾，或者被直接丟棄。
諸如LTE 或WLAN 等的當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)采用MIMO，通過空分復(fù)用獲得較高容量。多用戶MIMO 技術(shù)使用波束賦形，通過同時發(fā)送數(shù)據(jù)到不同的多個UE，擴(kuò)展了MIMO。術(shù)語大規(guī)模MIMO 根據(jù)硬件配置和信道條件，以動態(tài)方式描述波束賦形和多天線空間復(fù)用的組合。
圖1：大規(guī)模MIMO：波束賦形和空分復(fù)用組合。
規(guī)模MIMO的技術(shù)優(yōu)勢
大規(guī)模MIMO技術(shù)的主要優(yōu)勢如下：
（1）根天線消耗的功率極低。理想情況下，在總發(fā)射功率一定的條件下，每根天線所用發(fā)射功率與天線數(shù)量成反比例關(guān)系，并且在發(fā)射信噪比一定的條件下，總的發(fā)射功率也與天線的數(shù)量成反比例關(guān)系。因此，每根天線所需的發(fā)射功率與天線數(shù)量的平方成反比。從而有效降低大規(guī)模MIMO的應(yīng)用中所消耗的功率。
（2）信道“硬化”。當(dāng)天線數(shù)趨于無窮大時，信道矩陣可以采用隨機(jī)矩陣的理論進(jìn)行分析，信道矩陣的奇異值將趨向已知的漸進(jìn)分布[4]，并且信道向量將會趨向正交，最簡單的信號處理方法是漸進(jìn)最優(yōu)的。
（3）熱噪聲和小尺度衰落的影響消除。采用線性信號處理方法，熱噪聲和小尺度衰落對系統(tǒng)性能的影響會隨著天線數(shù)量的增加而減小，并且熱噪聲和小尺度衰落的影響與小區(qū)間的干擾相比可以忽略不計。
（4）空間分辨率提升。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中隨著基站天線數(shù)的增多，波束形成能夠把所傳輸?shù)男盘柤械娇臻g的一個點(diǎn)上，即基站能夠精確分辨每一個用戶，從而提高了空間分辨能力。
大規(guī)模MIMO面臨的挑戰(zhàn)
雖然大規(guī)模MIMO具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些挑戰(zhàn)，包括：
1.前傳接口連接的高吞吐量
2.天線陣列校準(zhǔn)
3.天線單元間的相互耦合
4.不規(guī)則的天線陣列
5.天線陣列復(fù)雜
大規(guī)模MIMO遭遇的挑戰(zhàn)還來自如何去表征信號，測量天線陣列功率的要求不曾在傳統(tǒng)使用電纜傳導(dǎo)接口的場合出現(xiàn)過。
有意義的表征只能使用OTA (Over-The-Air) 測試實(shí)現(xiàn)。主要因?yàn)椋撼杀尽⒏哳l率下進(jìn)行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測試方法不可行;以及大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)將無線收發(fā)器集成到天線中，這導(dǎo)致失去射頻測試端口。這種模式改變的結(jié)果是什么?
3D OTA測量
過去，將功率作為時間、頻譜或編碼(CDMA 系統(tǒng))的函數(shù)進(jìn)行測量。波束賦形的到來增加了另一個維度：空間或功率相對于離開方向。圖2 給出功率測量示例。空中測量參數(shù)可以分為兩大類：研發(fā)、認(rèn)證或一致性測試對于被測設(shè)備輻射特性的完整評估，以及生產(chǎn)中的校準(zhǔn)、驗(yàn)證和功能測試。
圖2：作為時間、頻率、編碼和空間的函數(shù)的功率測量。
天線設(shè)計者關(guān)心的主要測試參數(shù)包括增益圖、輻射功率、接收機(jī)靈敏度、收發(fā)器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，其中任何每一項(xiàng)都會影響OTA測量。然而，由于大規(guī)模MIMO 使用的頻率，更為關(guān)注波束控制/波束跟蹤。雖然現(xiàn)在的蜂窩技術(shù)使用靜態(tài)波束圖特征，毫米波系統(tǒng)將需要動態(tài)波束測量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。
生產(chǎn)測試
一致性和生產(chǎn)測試包括很多方面。
特別重要的有三方面：
? 天線/相對校準(zhǔn)：為了實(shí)現(xiàn)精確波束賦形，射頻信號路徑間的相位差必須小于 ±5°?？梢?/span>用相位相干接收機(jī)執(zhí)行該測量，以便測量所有天線單元間的相對誤差。
? 5點(diǎn)波束測試：根據(jù)3GPP 要求，有源天線系統(tǒng)(Active Antenna System, AAS) 制造商要為每個聲稱的波束規(guī)定波束方向、最大EIRP 和EIRP 門限值。除了最大EIRP 點(diǎn)外，在聲稱的門限值邊界處測量四個附加點(diǎn)，即，具有最大EIRP 的中心點(diǎn)，以及公布的左邊、右邊、頂部和底部邊界的其余4 個點(diǎn)，如圖3 所示。
? 最終的功能測試：在生產(chǎn)環(huán)節(jié)完全組裝好的模塊上執(zhí)行，包括簡單的輻射測試，5點(diǎn)波束測試和收發(fā)器聯(lián)合功能測試，例如所有收發(fā)器打開時的誤差矢量幅度(EVM)測量。
圖3：基于制造商公布的5 個測量點(diǎn)的5點(diǎn)測試。
近場測量和遠(yuǎn)場測量
OTA測量系統(tǒng)可以根據(jù)取樣輻射場的哪一部分來分類。圖4 給出來自基站天線陣列(工作在2.70GHz 具有均勻激勵的8個圓形微帶天線貼片)的近場和遠(yuǎn)場。近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(qū)由Fraunhofer 距離R = 2×D2 /λ 定義，其中D 是最大天線口徑或尺寸。在近場區(qū)，在小于R 的距離處，場強(qiáng)由感應(yīng)分量和輻射分量組成; 而在天線的遠(yuǎn)場區(qū)僅有輻射分量場強(qiáng)。
圖4：來自基站天線陣列的電磁場。
對于到遠(yuǎn)場區(qū)的數(shù)學(xué)變換，需要精確測量包圍被測設(shè)備三維表面上的相位和幅度，由此產(chǎn)生天線的2 維和3 維增益圖。遠(yuǎn)場區(qū)測量僅需要用幅度計算天線的波束圖，如果需要也可以在OTA單點(diǎn)處測量。
對于小型設(shè)備(取決于波長)，例如用戶設(shè)備，對于遠(yuǎn)場條件所需的暗室尺寸由測量波長決定。
對于較大的設(shè)備，例如基站或大規(guī)模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統(tǒng)能夠精確地對整個封閉表面上的電磁場的相位和幅度進(jìn)行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。
在遠(yuǎn)場區(qū)開展測量，需要直接測量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當(dāng)大，暗室大小要綜合考慮被測設(shè)備尺寸和測量頻率。
雖然遠(yuǎn)場通常是在離開被測設(shè)備適當(dāng)距離處測量，但是可以通過控制電磁場，使得近場暗室可以用于直接測量平面波幅度。有兩種技術(shù)：
? 緊湊型區(qū)域暗室，最經(jīng)常用于大型被測設(shè)備，如飛機(jī)和衛(wèi)星;
? 平面波轉(zhuǎn)換器(Plane Wave Converter, PWC)：在被測設(shè)備處創(chuàng)建平面波，這可以通過天線陣列替代測量天線實(shí)現(xiàn)。類似于在光學(xué)系統(tǒng)中使用透鏡，天線陣列可以在被測設(shè)備區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)區(qū)位置生成平面遠(yuǎn)場。
近場測量
近場區(qū)測量需要在封閉表面(球形，線形或圓柱形)上采樣得到的場相位和幅度，以便使用傅立葉頻譜變換計算遠(yuǎn)場幅度。
這種測量通常使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，如R&S ZNBT20，一端口接被測設(shè)備，另一端口接測量天線。對于有源天線或大規(guī)模MIMO，通常沒有專用天線端口或射頻端口，因此OTA測量系統(tǒng)必須能夠獲取相位以便完成到遠(yuǎn)場的轉(zhuǎn)換。對于有源天線系統(tǒng)，有兩種獲取相位的方法：
? 干涉測量：具有已知相位的第二根天線用作參考。參考信號與含未知相位的被測設(shè)備信號混頻，使用信號后處理方法，可以獲得被測設(shè)備信號的相位，并用于近場到遠(yuǎn)場的變換。
? 多個面或探頭：第二個面用作相位參考，在兩個測量半徑間至少有一個波長間隔。也可以使用具有不同天線場特性的兩個探頭來代替多個面。
這兩個探頭需要分開至少半個波長以盡量減小相互耦合。
如果選擇使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)，真正的多端口VNA(如R&S ZNBT20)具有測量天線單元間耦合的額外優(yōu)勢。采用多個接收機(jī)而不是使用開關(guān) — 同時執(zhí)行測試減少了測試時長，并且能更好地執(zhí)行完整的互耦合測量。
結(jié)論
天線陣列將在未來的無線通信中發(fā)揮重要作用。然而在它們的研發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)中遇到的挑戰(zhàn)使得完整測試對于實(shí)現(xiàn)最佳性能至關(guān)重要。射頻測試端口消失以及使用厘米波和毫米波頻率，使得OTA測試成為表征不僅大規(guī)模MIMO 陣列，而且內(nèi)部收發(fā)器性能的必要手段。這將會推動OTA暗室和測量設(shè)備的大量需求，以便滿足測量天線輻射特性和收發(fā)器性能的嚴(yán)格要求。
