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)實驗室到產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證和制造，或是從IC到基站到手機，具體要求都有相當(dāng)大的變化。研發(fā)實驗室中驗證尖端性能的最新測試測量技術(shù)，以及針對美國和其它地區(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)處理會提高系統(tǒng)復(fù)雜性以及相關(guān)的測試要求。

也許在實現(xiàn)MIMO測試時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(LTE)的一部分。兩種不同類型MIMO，即時分(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公司高級營銷經(jīng)理Erik Org表示。

“在使用頻分LTE時，你需要成對的頻譜，一個頻段用于上行鏈路，另一個頻段用于下行鏈路，因為上行鏈路和下行鏈路是同時工作的。”O(jiān)rg指出。每臺無線電設(shè)備的信號發(fā)射和接收是同時進行的。在使用時分(TD)時，發(fā)射在一個時隙進行，而接收在另一個時隙進行。因此實現(xiàn)TD協(xié)議不需要成對的頻譜。

在使用多用戶或MU MIMO(802.11ac)時，并不是為單個用戶提供雙倍的數(shù)據(jù)速率，而是兩個用戶共享雙倍數(shù)據(jù)速率。“實際上并不是提高可用的數(shù)據(jù)速率，而是增加了覆蓋率?！盨pirent 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MIMO信道支持另一個用戶?！?/span>

“在使用MU MIMO時，你可以有多臺接收機，這樣就可以使用帶4根天線的單臺發(fā)射機，同時可以使用多臺接收機(最多4臺)，每個接收機有其單獨的天線，甚至你可以實現(xiàn)包括3臺接收機、其中一臺有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設(shè)備。多用戶MIMO允許多個用戶當(dāng)作空間上分布式的發(fā)射源，從而提高效率。

手機制造商通常使用傳導(dǎo)或有線測試方法得到的實驗室測試結(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測試減少實驗室測試和現(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MIMO OTA測試方法試圖盡可能提高用戶的投資回報(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?！盨uh透露。

波束成形不一定需要MIMO?！安捎枚喔炀€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，而且對目標(biāo)接收機的干擾也更小?！盨uh指出。不過，當(dāng)與MIMO結(jié)合在一起時，MIMO波束成形就成為了TD-LTE和LTE-Advanced技術(shù)中一個規(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，實現(xiàn)高達1Gbit/s的更高數(shù)據(jù)速率。不過一些領(lǐng)先的研發(fā)團隊也在開發(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驗證過程的一部分，CTIA、國際無線通信產(chǎn)業(yè)協(xié)會正在進行參考天線測試。CTIA采用已知好的設(shè)備和不良設(shè)備進行測試設(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能夠驗證人們獲得的結(jié)果是否跟期望的一致，以后會有許多這方面的工作?！盨pirent公司的McKernan表示。

TD LTE MIMO也在持續(xù)改進中。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?！叭ツ辏藗兊淖⒁饬Ω嗟胤旁赥DD 38-41頻段?！癆zimuth公司的Org指出。他希望2.5GHz至2.7GHz頻段中會發(fā)生一些變化。全球的運營商特別是中國運營商將考慮采用TD LTE，因為這種技術(shù)具有不對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版本是強制性的，哪些版本是可選的。對于最新的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)商面臨的強制要求?！?×3肯定是最新WLAN標(biāo)準(zhǔn)要求的?！眹覂x器公司的Lall認(rèn)為，“LTE并不要求8×8，但許多研發(fā)實驗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性的。現(xiàn)在正是實現(xiàn)測試變化的時候。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)備來解決已知或計劃的變化時，設(shè)備或平臺的易用性(針對設(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)在平臺設(shè)計中準(zhǔn)備好了滿足面向未來實現(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平臺背后的首要想法。”國家儀器的Lall表示，“將它擴展到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?！?/span>

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)備對最終規(guī)范進行測試，那就很可能落后于競爭對手。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)險可以被降到最低。

測試設(shè)備供應(yīng)商針對自適應(yīng)的方法可以是使用內(nèi)置功能，或者很方便地升級，以盡量減少成本以及對客戶的破壞性影響。當(dāng)然，如果決策錯誤，用戶可能必須從頭開始去獲得一個有效的測試裝置，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對某些測試客戶來說似乎過早了點。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，因此這是一個較低風(fēng)險的策略?！?/span>

購買時機是測試設(shè)備業(yè)務(wù)中一直存在的問題。“人們何時才會真正進行投資？他們會等到標(biāo)準(zhǔn)全部完成、甘愿冒著他們的競爭對手已經(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)實驗室中。今年我們已經(jīng)參加了圍繞802.11ac開展的許多活動?！盠all透露。

問題是用戶如何避免現(xiàn)在購買的設(shè)備會限制他們的靈活性以及實現(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項通過生態(tài)系統(tǒng)傳播需要幾年時間，因此目前商用的設(shè)備完全可以支持?！艾F(xiàn)在LTE要求的最高階MIMO是8×2(8個基站天線/2個用戶設(shè)備(UE)天線)，能夠支持最多兩個空間層?！監(jiān)rg指出。

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

NI公司的Lall鼓勵正在考慮測試設(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)時鐘或參考時鐘，這本身是個危險信號?！盠all指出。簡單地輸出采樣時鐘不足以實現(xiàn)完整的MIMO系統(tǒng)，參考時鐘也必須輸出?！皩蛻魜碚f這是第一次認(rèn)識到我所投資的設(shè)備可能在未來無法升級?！?/span>

安捷倫的Suh指出了如果測試設(shè)備決策延遲的話可能會發(fā)生的另外一個問題：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)果不一致時可能會相互指責(zé)。Suh強調(diào)，從最古老的階段到目前的MIMO研發(fā)實驗室，一個一致且廣泛的平臺有助于解決這個問題。

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)備是這個過程中的一個重要部分。

可用性和不斷演進的產(chǎn)品

為支持所有的MIMO種類，在任意階段實現(xiàn)MIMO或針對任何終端應(yīng)用的產(chǎn)品選擇范圍在繼續(xù)擴大。例如，安捷倫推出的以LTE-A、LTE-FDD和LTE-TDD以及從設(shè)計、基帶、射頻、集成、協(xié)議到驗證/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個通道，其它的系統(tǒng)最多是2個或4個通道。X系列SG接收機最多有16個通道。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TD LTE MIMO和波束成形推出的解決方案是N7109A多通道信號分析儀和最新的89600矢量信號分析儀軟件(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8個通道的TD LTE波束成形及MIMO信號分析。

圖2：安捷倫科技的N7109A多通道信號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MIMO 802.11ac開發(fā)的安捷倫MIMO PXI矢量信號分析儀可以提供對高達800MHz信號的分析。這種功能加上儀器的精度和速度可以幫助研發(fā)和測試工程師驗證他們的MIMO 802.11ac設(shè)計。

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)計用于簡化測試實驗室復(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ACE MX2設(shè)備能同時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)置的實時衰落功能，ACE MX2 MIMO信道模擬器支持復(fù)雜的多用戶MIMO測試平臺的實現(xiàn)以及載波聚合的評估。

中國電信技術(shù)實驗室(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)證的一個組織機構(gòu)。2012年，這個實驗室選用了Sprirent VR5 HD空間信道模擬器進行TD LTE設(shè)備測試，其中包括先進的MIMO波束成形的實現(xiàn)。VR5也為其它Spirent測試設(shè)備提供了基礎(chǔ)。

“創(chuàng)建實際的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、移動設(shè)備和研究測試以及開發(fā)與設(shè)計驗證。

國家儀器展示了一款基于PXI平臺的8×8 LTE測試解決方案。同步結(jié)果令人印象非常深刻(圖5)?！拔覀円呀?jīng)測試了在多個機箱間采用菊花鏈連接的10×10系統(tǒng)，每個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)，這個指標(biāo)也確實非常優(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4×4 MIMO配置下收發(fā)方向的各種信號帶寬，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。  

時間是個問題

MIMO顯然在測試領(lǐng)域引起了不小的轟動，而2012年似乎是實現(xiàn)方面的一個轉(zhuǎn)折點?！拔覀冋J(rèn)為MIMO的最大變化無疑是在無線LAN側(cè)，因為在這個領(lǐng)域的工程師正在努力實現(xiàn)3×3多用戶MIMO?！?nbsp;NI公司的LaLL表示。但隨著規(guī)范數(shù)量的增加，時間和技術(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?！卑步輦惖腟uh認(rèn)為。他并不認(rèn)為在很短的時間內(nèi)就會遭遇這種挑戰(zhàn)，因為業(yè)界首先關(guān)注的是載波聚合。一旦這個問題得到解決，那些組織機構(gòu)的注意力就會轉(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?！翱隙〞性S多不同意見和爭吵發(fā)生，因為這不是一個簡單的問題。”安捷倫的Whitacre表示。

Spirent的Wright表達了對手機問題的關(guān)注?！霸谔炀€方面已經(jīng)出現(xiàn)了物理間距問題，因為你需要將天線分開來實現(xiàn)去耦，所以需要與波長相關(guān)的一定等級的物理空間?！彼硎尽?00MHz到最高3.5GHz的工作頻率范圍將引起關(guān)鍵的射頻實現(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?！耙苍S已經(jīng)有解決方案了，但對我們來說似乎仍有艱巨的挑戰(zhàn)需要解決?！盬right表示。即使供應(yīng)商相信已有解決方案，但他們?nèi)孕枰ㄟ^測試來驗證。