第五代移動通信網絡（5G）目前已經得到了全球企業、研究院所和高校的廣泛關注和大量研究，大規模MIMO技術被認為是未來5G中的一項重要技術，主要用于提高通信系統的頻譜利用率和信道容量。一個結論是不能采用傳導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要點。
即將推出的5G標準在獲得更低運營成本(OPerational EXpenses, OPEX) 的同時確保更高的吞吐率、更多的容量和實現的靈活性。其他目標包括超可靠低延遲通信(ultra Reliable Low Latency Communications, uRLLC) 和大規模機器類型通信(massive Machine Type Communications, mMTC)。軟件定義網絡(Software Defined Network, SDN) 和大規模MIMO 多天線場景很可能是實現這些目標的技術選擇。
為了獲得更高的吞吐率必須有更寬的帶寬支撐，5G 系統將使用厘米波和毫米波范圍的頻率。這種方案的一個缺點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，可以實現這個目標。
波束賦形技術通過分配給每個用戶設備(UE) 的信號只瞄準相應的單個用戶設備，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 產生干擾，或者被直接丟棄。
諸如LTE 或WLAN 等的當前標準采用MIMO，通過空分復用獲得較高容量。多用戶MIMO 技術使用波束賦形，通過同時發送數據到不同的多個UE，擴展了MIMO。術語大規模MIMO 根據硬件配置和信道條件，以動態方式描述波束賦形和多天線空間復用的組合。
圖1：大規模MIMO：波束賦形和空分復用組合。
規模MIMO的技術優勢
大規模MIMO技術的主要優勢如下：
（1）根天線消耗的功率極低。理想情況下，在總發射功率一定的條件下，每根天線所用發射功率與天線數量成反比例關系，并且在發射信噪比一定的條件下，總的發射功率也與天線的數量成反比例關系。因此，每根天線所需的發射功率與天線數量的平方成反比。從而有效降低大規模MIMO的應用中所消耗的功率。
（2）信道“硬化”。當天線數趨于無窮大時，信道矩陣可以采用隨機矩陣的理論進行分析，信道矩陣的奇異值將趨向已知的漸進分布[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最優的。
（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性能的影響會隨著天線數量的增加而減小，并且熱噪聲和小尺度衰落的影響與小區間的干擾相比可以忽略不計。
（4）空間分辨率提升。在大規模MIMO系統中隨著基站天線數的增多，波束形成能夠把所傳輸的信號集中到空間的一個點上，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。
大規模MIMO面臨的挑戰
雖然大規模MIMO具有許多優點，但也存在一些挑戰，包括：
1.前傳接口連接的高吞吐量
2.天線陣列校準
3.天線單元間的相互耦合
4.不規則的天線陣列
5.天線陣列復雜
大規模MIMO遭遇的挑戰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使用電纜傳導接口的場合出現過。
有意義的表征只能使用OTA (Over-The-Air) 測試實現。主要因為：成本、高頻率下進行耦合帶來的高插損等原因使得電纜測試方法不可行;以及大規模MIMO 系統將無線收發器集成到天線中，這導致失去射頻測試端口。這種模式改變的結果是什么?
3D OTA測量
過去，將功率作為時間、頻譜或編碼(CDMA 系統)的函數進行測量。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。空中測量參數可以分為兩大類：研發、認證或一致性測試對于被測設備輻射特性的完整評估，以及生產中的校準、驗證和功能測試。
圖2：作為時間、頻率、編碼和空間的函數的功率測量。
天線設計者關心的主要測試參數包括增益圖、輻射功率、接收機靈敏度、收發器/接收器特征和波束控制/波束跟蹤，其中任何每一項都會影響OTA測量。然而，由于大規模MIMO 使用的頻率，更為關注波束控制/波束跟蹤。雖然現在的蜂窩技術使用靜態波束圖特征，毫米波系統將需要動態波束測量，以便精確表征波束跟蹤算法和波束控制算法。
生產測試
一致性和生產測試包括很多方面。
特別重要的有三方面：
? 天線/相對校準：為了實現精確波束賦形，射頻信號路徑間的相位差必須小于 ±5°。可以用相位相干接收機執行該測量，以便測量所有天線單元間的相對誤差。
? 5點波束測試：根據3GPP 要求，有源天線系統(Active Antenna System, AAS) 制造商要為每個聲稱的波束規定波束方向、最大EIRP 和EIRP 門限值。除了最大EIRP 點外，在聲稱的門限值邊界處測量四個附加點，即，具有最大EIRP 的中心點，以及公布的左邊、右邊、頂部和底部邊界的其余4 個點，如圖3 所示。
? 最終的功能測試：在生產環節完全組裝好的模塊上執行，包括簡單的輻射測試，5點波束測試和收發器聯合功能測試，例如所有收發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 個測量點的5點測試。
近場測量和遠場測量
OTA測量系統可以根據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)的近場和遠場。近場區和遠場區由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，在小于R 的距離處，場強由感應分量和輻射分量組成; 而在天線的遠場區僅有輻射分量場強。
圖4：來自基站天線陣列的電磁場。
對于到遠場區的數學變換，需要精確測量包圍被測設備三維表面上的相位和幅度，由此產生天線的2 維和3 維增益圖。遠場區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單點處測量。
對于小型設備(取決于波長)，例如用戶設備，對于遠場條件所需的暗室尺寸由測量波長決定。
對于較大的設備，例如基站或大規模MIMO，所需的暗室尺寸可能變得非常大。如果測量系統能夠精確地對整個封閉表面上的電磁場的相位和幅度進行采樣，則暗室尺寸可以大大減小。
在遠場區開展測量，需要直接測量平面波幅度，并且這樣的暗室通常相當大，暗室大小要綜合考慮被測設備尺寸和測量頻率。
雖然遠場通常是在離開被測設備適當距離處測量，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：
? 緊湊型區域暗室，最經常用于大型被測設備，如飛機和衛星;
? 平面波轉換器(Plane Wave Converter, PWC)：在被測設備處創建平面波，這可以通過天線陣列替代測量天線實現。類似于在光學系統中使用透鏡，天線陣列可以在被測設備區域內的目標區位置生成平面遠場。
近場測量
近場區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場幅度。
這種測量通常使用矢量網絡分析儀，如R&S ZNBT20，一端口接被測設備，另一端口接測量天線。對于有源天線或大規模MIMO，通常沒有專用天線端口或射頻端口，因此OTA測量系統必須能夠獲取相位以便完成到遠場的轉換。對于有源天線系統，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備信號混頻，使用信號后處理方法，可以獲得被測設備信號的相位，并用于近場到遠場的變換。
? 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絡分析儀(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勢。采用多個接收機而不是使用開關 — 同時執行測試減少了測試時長，并且能更好地執行完整的互耦合測量。
結論
天線陣列將在未來的無線通信中發揮重要作用。然而在它們的研發、設計和生產中遇到的挑戰使得完整測試對于實現最佳性能至關重要。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模MIMO 陣列，而且內部收發器性能的必要手段。這將會推動OTA暗室和測量設備的大量需求，以便滿足測量天線輻射特性和收發器性能的嚴格要求。
