多入多出(MIMO)天線系統的多樣性和持續發展特性迫使測試公司要努力走在行業要求的前面。根據完成測試的場所不同，從學術和行業研發實驗室到產品質量認證和制造，或是從IC到基站到手機，具體要求都有相當大的變化。研發實驗室中驗證尖端性能的最新測試測量技術，以及針對美國和其它地區的高成本效益生產測試近來都在發生變化。
不同的MIMO種類
2012年MIMO領域發生了很多變化。作為智能天線技術的一部分，MIMO無需額外帶寬或提高發射功率就可以提供更高的數據速率和更好的頻譜效率(bits/second/Hz)。當然，在發射(Tx)和接收(Rx)端使用多根天線并增加數據處理會提高系統復雜性以及相關的測試要求。
也許在實現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議所需的頻譜類型，Azimuth Systems公司高級營銷經理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。”Org指出。每臺無線電設備的信號發射和接收是同時進行的。在使用時分(TD)時，發射在一個時隙進行，而接收在另一個時隙進行。因此實現TD協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據速率，而是兩個用戶共享雙倍數據速率。“實際上并不是提高可用的數據速率，而是增加了覆蓋率。”Spirent Communication公司產品營銷經理Mike McKernan表示，“在這種蜂窩系統中你可以使用單個MIMO信道支持另一個用戶。”
“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品營銷經理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備。多用戶MIMO允許多個用戶當作空間上分布式的發射源，從而提高效率。
手機制造商通常使用傳導或有線測試方法得到的實驗室測試結果和服務提供商的現場測試結果的不同催生了MIMO空中(OTA)測試。第3代合作伙伴項目(3GPP)標準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理Jung-ik Suh指出。
測試設備供應商提供了不同的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商合作，以確定哪種是最好的方法。”Suh透露。
波束成形不一定需要MIMO。“采用多根天線的波束成形技術可以通過定向波束改善無線系統性能，它不僅能提高數據速率和覆蓋率，而且對目標接收機的干擾也更小。”Suh指出。不過，當與MIMO結合在一起時，MIMO波束成形就成為了TD-LTE和LTE-Advanced技術中一個規劃的部分。
“最初的LTE-Advanced研發工作集中在載波聚合上面，目標是要提供更寬的頻帶，實現高達1Gbit/s的更高數據速率。不過一些領先的研發團隊也在開發多至8×8的MIMO。”Suh指出。
問題：規范狀態
當前的測試需要考慮許多還未完稿和批準的標準。作為MIMO LTE-Advanced驗證過程的一部分，CTIA、國際無線通信產業協會正在進行參考天線測試。CTIA采用已知好的設備和不良設備進行測試設備的比較。
“這些已知好的和已知不良的設備將被分發出去，以便CTIA能夠驗證人們獲得的結果是否跟期望的一致，以后會有許多這方面的工作。”Spirent公司的McKernan表示。
TD LTE MIMO也在持續改進中。雖然業界為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。“去年，人們的注意力更多地放在TDD 38-41頻段。“Azimuth公司的Org指出。他希望2.5GHz至2.7GHz頻段中會發生一些變化。全球的運營商特別是中國運營商將考慮采用TD LTE，因為這種技術具有不對稱地分配頻譜或分配容量的優勢。
在無線局域網(WLAN)領域，Wi-Fi聯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標準802.11ac來說，測試3×3正在成為許多芯片組供應商面臨的強制要求。“3×3肯定是最新WLAN標準要求的。”國家儀器公司的Lall認為，“LTE并不要求8×8，但許多研發實驗室都開展了這方面的測試。”
一些專家認為，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市場計劃經理Jan Whitacre認為，最終定稿至少還要一年。沒有供應商建議直到規范最終定稿才購買測試設備。
測試策略
雖然正在發生的許多MIMO變化是不確定的，但這些變化都是暫時性的。現在正是實現測試變化的時候。MIMO的預期變化已經公布好幾年了。在許多情況下，它們最終會或緊急得到批準。另外，當測試公司開發出測試設備來解決已知或計劃的變化時，設備或平臺的易用性(針對設置和使用)得到了大幅簡化。
在有些情況下只需軟件發生改變。例如，國家儀器已經在平臺設計中準備好了滿足面向未來實現的10×10和更高系統的要求。因此，現在購買這類設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也沒有技術方面的限制，而10×10系統我們肯定已做過測試。”
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備對最終規范進行測試，那就很可能落后于競爭對手。如果設備提供商是規范開發的密切接觸者，并且在其平臺和產品開發中考慮了規范要求，那么提前購買測試設備的風險可以被降到最低。
測試設備供應商針對自適應的方法可以是使用內置功能，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。但測試設備供應商在2012年就已經感受到了用戶興趣和定單的增加。
即使參加了標準討論，那些等待規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，“規范肯定開始集中到一種方法上，因此這是一個較低風險的策略。”
購買時機是測試設備業務中一直存在的問題。“人們何時才會真正進行投資?他們會等到標準全部完成、甘愿冒著他們的競爭對手已經推出某種解決方案并努力開發性能更好的設備所帶來的風險嗎?”Wright問道。
其它供應商也承認客戶興趣有所提高。“8×8 MIMO目前還在研發實驗室中。今年我們已經參加了圍繞802.11ac開展的許多活動。”Lall透露。
問題是用戶如何避免現在購買的設備會限制他們的靈活性以及實現下一階段標準的能力。
“今天，我現有的解決方案能夠支持今后數年中將被商用化部署的任何功能。”Azimuth公司的Org表示。功能變化和新的拓撲選項通過生態系統傳播需要幾年時間，因此目前商用的設備完全可以支持。“現在LTE要求的最高階MIMO是8×2(8個基站天線/2個用戶設備(UE)天線)，能夠支持最多兩個空間層。”Org指出。
Azimuth公司于2012年發布了一項測試策略，這種策略主要考慮了購買者的想法。該公司計劃的未來產品、平臺和解決方案將滿足現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議和網絡部署方面的測試挑戰，可支持高達200MHz的信道帶寬和16×16雙向MIMO拓撲。
NI公司的Lall鼓勵正在考慮測試設備的客戶縮小選擇范圍。“他們應看重靈活性或升級能力。”他認為。如果目前的需求是2×2系統，用戶就需要正確評估潛在的設備，確保這些設備能夠支持未來的4×4或8×8系統。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備，而你的發生器或分析儀又不能輸出模數轉換器(ADC)時鐘或參考時鐘，這本身是個危險信號。”Lall指出。簡單地輸出采樣時鐘不足以實現完整的MIMO系統，參考時鐘也必須輸出。“對客戶來說這是第一次認識到我所投資的設備可能在未來無法升級。”
安捷倫的Suh指出了如果測試設備決策延遲的話可能會發生的另外一個問題：缺少數據關聯。例如，芯片組供應商和射頻客戶在測試結果不一致時可能會相互指責。Suh強調，從最古老的階段到目前的MIMO研發實驗室，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發展和產品發布。因此供應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。測試設備是這個過程中的一個重要部分。
可用性和不斷演進的產品
為支持所有的MIMO種類，在任意階段實現MIMO或針對任何終端應用的產品選擇范圍在繼續擴大。例如，安捷倫推出的以LTE-A、LTE-FDD和LTE-TDD以及從設計、基帶、射頻、集成、協議到驗證/預一致性測試的研發周期為目標的產品完全可以滿足MIMO測試要求。
有些系統最多可以覆蓋8個通道，其它的系統最多是2個或4個通道。X系列SG接收機最多有16個通道。一些產品具有完整的功能，其它產品只具有一般性功能，特別是在發射領域。
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和測試工程師驗證他們的MIMO 802.11ac設計。
為支持公司的最新測試策略，Azimuth Systems推出了第一款產品ACE MX2無線信道模擬器(圖3)。設計用于簡化測試實驗室復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。
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。利用內置的實時衰落功能，ACE MX2 MIMO信道模擬器支持復雜的多用戶MIMO測試平臺的實現以及載波聚合的評估。
中國電信技術實驗室(CTTL)是在中國電信研究院(CATR)領導下開展無線測試和認證的一個組織機構。2012年，這個實驗室選用了Sprirent VR5 HD空間信道模擬器進行TD LTE設備測試，其中包括先進的MIMO波束成形的實現。VR5也為其它Spirent測試設備提供了基礎。
“創建實際的MIMO波束成形信道、使相關的嚴格相位校準過程自動化并簡化測試的功能是我們最近發布的Spirent VR5解決方案的關鍵設計基準。”Spirent公司的Wright指出。在VR5基礎上搭建的MB5波束成形測試系統支持8×2和8×4 MIMO波束成形系統的測試以及要求802.11ac中規定的先進相位校準的其它應用測試(圖4)。
圖4：Spirent Communications的MB5 MIMO波束成形測試系統可以用于基站、移動設備和研究測試以及開發與設計驗證。
國家儀器展示了一款基于PXI平臺的8×8 LTE測試解決方案。同步結果令人印象非常深刻(圖5)。“我們已經測試了在多個機箱間采用菊花鏈連接的10×10系統，每個通道之間的相位偏移測試結果在0.1°之內，就算是查遍所有不同的無線標準，這個指標也確實非常優秀。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設備外，NI的802.11ac WLAN測試解決方案還提供了測試802.11ac設備所需的靈活性。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設備，合作伙伴包括了硅供應商、OEM廠商和電子制造服務(EMS)提供商。
時間是個問題
MIMO顯然在測試領域引起了不小的轟動，而2012年似乎是實現方面的一個轉折點。“我們認為MIMO的最大變化無疑是在無線LAN側，因為在這個領域的工程師正在努力實現3×3多用戶MIMO。” NI公司的LaLL表示。但隨著規范數量的增加，時間和技術問題仍然存在。
“從長期來看，用戶設備中的MIMO是未來最主要的測試挑戰之一。”安捷倫的Suh認為。他并不認為在很短的時間內就會遭遇這種挑戰，因為業界首先關注的是載波聚合。一旦這個問題得到解決，那些組織機構的注意力就會轉移到用戶設備側的MIMO方面來。
即使802.11ac至少一年后才能完稿，但研發公司和學術界現在就需要開展測量工作。“肯定會有許多不同意見和爭吵發生，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注。“在天線方面已經出現了物理間距問題，因為你需要將天線分開來實現去耦，所以需要與波長相關的一定等級的物理空間。”他表示。從700MHz到最高3.5GHz的工作頻率范圍將引起關鍵的射頻實現挑戰。
但是，有跡象表明，業界可能已經有了來自創新天線制造商的解決方案。“也許已經有解決方案了，但對我們來說似乎仍有艱巨的挑戰需要解決。”Wright表示。即使供應商相信已有解決方案，但他們仍需要通過測試來驗證。
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