Key issues and algorithms of multiple-input-multiple-output over-the-airtesting in the multi-probe anechoic chamber setup

Huiling PEI, Xiaoming CHEN, Xiaoyu HUANG, Xiaobo LIU, Xiaotong ZHANG & Yi HUANG

Sci China Inf Sci, 2022, 65(3): 131302

http://scis.scichina.com/en/2022/131302.pdf

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由于MIMO (multiple-input-multiple-output) 技术的广泛应用，实现MIMO设备的性能测试也变得尤为重要。MIMO OTA (over-the-air) 技术克服了传统的传导测试方法的局限，被广泛应用于MIMO性能评估。MIMO OTA测试方法主要有三类，分别为基于混响室的方法、辐射两步法和基于多探头微波暗室(multi-probe anechoic chamber, MPAC)的方法。基于MPAC的方法能够精确重现任意的无线传播信道，因此成为了MIMO OTA测试最有潜力的方法。

Science China Information Sciences 2022年第65卷第3期发表了综述文章“Key issues and algorithmsof multiple-input-multiple-output over-the-air testing in the multi-probeanechoic chamber setup”。该文由西安交通大学裴慧玲担任第一作者、陈晓明教授担任通讯作者撰写。作者主要针对MPAC测试装置，总结了2D UE MIMO OTA测试算法和3D BS MIMO OTA测试算法，并对相关算法进行分析比较。另外，还讨论了设计测试系统的一些关键需求以及针对5G无线设备的新颖的测试方法。

信道模拟的主要思想是确保正确控制从探头天线发射的信号，使得DUT所经历的模拟信道接近目标信道。常用的两种信道模拟方法是预衰落信号合成(PFS)法和平面波合成(PWS)法。PFS方法的主要思想是为探头分配合适的功率权重，以在接收端重现目标信道的空间特性。PWS方法的主要思想是为探头分配合适的复数幅度权重，以在接收端重现目标信道的电磁场。除信道模拟算法外，OTA微波暗室测试系统的设计需求也十分重要，包括OTA探头的数量、测试区域的大小、测试装置的物理尺寸等等。

对于2D UE MIMO OTA测试，除了PFS和PWS方法，还有一种EIV(equivalent induced voltage)方法是通过为探头分配复权重从而重现目标接收电压。PFS技术的优点是只需要功率校准，但是在簇的角度扩展较小时不能获得很好的模拟精度。PWS技术可以精确合成任意的平面波，但它既需要功率校准也需要相位校准。在OTA探头环半径足够大时，EIV技术可以取得与PWS技术相同的模拟精度，但是EIV技术不适用于OTA探头环半径比较小的情况。2D UE MIMO OTA信道模拟精度可以通过空间相关性误差、场合成误差、信道容量误差和吞吐率误差等指标来表征。其中，吞吐率误差可以反映系统端到端性能。此外，作者总结了2D UE测试系统设计要求，包括选取多少数量的探头、测试区域大小如何决策以及测试装置物理尺寸大小如何选择。

Fig. Illustration of the two-dimensional user equipment MIMO OTA setup

对于3D BS MIMO OTA测试，引入了一种新的3D扇形MPAC测试装置。信道模拟算法也是PFS和PWS两种，其中PFS方法的目标函数可以是空间相关性误差，也可以是PAS误差。以PAS误差作为优化目标的PFS技术比以空间相关性作为优化目标的PFS技术具有更高的模拟精度。另外，由于PWS技术需要足够的探头才能模拟准确的3D信道，且BS OTA测试的相位校准难度很高，所以PFS技术更适用于3D BS MIMO OTA测试。3D BS MIMO OTA信道模拟精度可以通过PAS相关指标或者波束概率相关指标评定。

Fig. Illustration of the 3D massive MIMO BS OTA setup

此外，作者还总结了3D BS测试系统设计要求，包括灵活的探头选择算法(multishot算法、ABC算法、PSO算法)以及测试装置物理尺寸大小如何选择；讨论了一些新的5G无线测试方法，包括5G大规模虚拟测试和基于凹面反射特性的新方法。

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