CN105281818A - 一种多天线波束赋形测试方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种多天线波束赋形测试方法，多通道信号分析仪接收到基站通过功分器分来的下行数据，针对所述下行数据中的CRS计算每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量；控制设备根据获取的每根天线的静态波束赋形矢量、UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率；确定计算的各个极化方向的UE接收功率是否均不小于预设的小区内UE最小接收功率，来确定基站当前使用的波束赋形算法是否适用当前下行数据的发送。通过该技术方案能够定量分析基站使用的波束赋形算法的优劣，并提高测试效率。

Description

一种多天线波束赋形测试方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种多天线波束赋形测试方法。

背景技术

2013年底中国正式商用第四代(4G)移动通信系统—时分双工-长期演进(TD-LTE)，于2015年商用长期演进(LTE)频分双工(FDD)系统，标志着中国移动通信网络正式从语音时代过渡到数据时代。

用户UE的下行峰值速率从几Mbps上升到数百Mbps，用户业务也从传统的短信、彩信等小数据包业务过渡到图片、视频等流媒体业务。为了改善小区边缘覆盖，提升频谱效率和峰值速率，多输入多输出(MIMO)作为重要的技术特征被引入到第四代无线通信基站中。

第三代合作伙伴计划(3GPP)在LTE第10版(R10)中规定了9种MIMO模式。模式1：单天线发送；模式2：发送分集；模式3：循环时延分集；模式4：闭环空间复用；模式5：多用户MIMO；模式6：单层闭环空间复用；模式7：单流波束赋形；模式8：双流波束赋形；模式9：8天线传输。其中传输模式1、2、5、6、7并不能增加用户的峰值速率，只能为用户提供分集增益；而传输模式3、4、8、9能够成倍提升用户的峰值速率，可以为用户提供复用增益。

TD-LTE作为中国移动3G移动通信系统时分双工-同步码分多址接入(TD-SCDMA)的平滑演进，室外基站多采用8天线设备，一般支持传输模式2、3、7、8、9。传输模式2、3和基于码本的传输模式9，采用协议中规定的预编码集合，由UE实时反馈集合中具体采用哪个预编码。而传输模式7、8和基于非码本的传输模式9，由于采用TDD特有的波束赋形算法，基站利用上行信道估计，动态获得下行波束赋形预编码，可以在提升频率和峰值速率的同时，不增加用户间干扰。

基站波束赋形算法的优劣，对下行传输速率影响很大，但是传统测试中，只能检测基站设备的射频指标和吞吐量性能，无法定量判定基站波束赋形算法的优劣。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种多天线波束赋形测试方法，能够定量分析基站使用的波束赋形算法的优劣。

为解决上述技术问题，本申请的技术方案是这样实现的：

一种多天线波束赋形测试方法，应用于包括基站、信道模拟器和UE的系统中，该系统还包括：多通道信号分析仪和控制设备；该方法包括：

当基站使用静态波束赋形矢量为多天线进行赋形时，多通道信号分析仪接收到基站通过功分器分来的下行数据，针对所述下行数据中的公共参考信号CRS计算每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量；

控制设备获取多通道信号分析仪计算的每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量，获取信道模拟器上配置的UE天线入射角度，以及基站上配置的相邻2天线的间距，以及天线的发射功率；并根据获取的每根天线的静态波束赋形矢量、UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率；

该控制设备确定计算的各个极化方向的UE接收功率是否均不小于预设的小区内UE最小接收功率，如果是，确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送；否则，确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

由上面的技术方案可知，本申请中在被测基站和配合终端之间，引入多通道信号分析仪计算每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量，控制设备根据从多通道信号仪获取的每根天线的静态波束赋形矢量、以及获取的UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率，并确定计算的各个极化方向的UE接收功率是否均不小于预设的小区内UE最小接收功率来确定基站当前使用的波束赋形算法是否适用当前下行数据的发送。通过该方案能够定量分析基站使用的波束赋形算法的优劣，并提高测试效率。

附图说明

图1为本申请实施例中多天线波束赋形测试系统示意图；

图2为本申请实施例一中多天线波束赋形测试流程示意图；

图3为本申请实施例二中多天线波束赋形测试流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本申请实施例中提供一种多天线波束赋形测试方法，在基站和UE之间接入信道模拟器；为了实现多天线波束赋形测试,在基站发送下行数据侧接入多通道信号分析仪，并增加控制设备，用于从基站、信道模拟器、以及多通道信号分析仪上获得相关信息，进行波束赋形测试。

参见图1，图1为本申请实施例中多天线波束赋形测试系统示意图。图1中为了描述方便，将信道模拟器分为上行信道模拟器和下行信道模拟器；以连接耦合盘为例，在实际应用中若基站不支持自校准功能，则需连接耦合盘至下行信道模拟器；若基站支持自校准功能，则直接连接下行信道模拟器。

下行信道模拟器通过输出端口连接至UE接收天线端口，下行信道模拟器接收基站发给UE的下行数据，并通过输出端口发送给UE。

UE发送上行数据经过上行信道模拟器反馈至基站接收端口。

基站与下行信道模拟器之间，接入多通道信号分析仪，基站输出端口与多通道信号仪之间通过功分器和线缆连接，该功分器和线缆需保证基站输出端口至多通道信号分析仪的入口之间功率衰减及相位变化相同。

基站发送下行数据，通过功分器，将下行数据分成2路，一路数据到多通道信号分析仪，另一路到下行信道模拟器。

下行信道模拟器和上行信道模拟器严格同步，同一时刻，播放相同的信道衰落模型。因此，在需从信道模拟器上获取相关参数信息时，可以从上行信道模拟器获取，也可以从下行信道模拟器获取；基站在接收到UE发送的上行数据时，根据接收到的上行数据确定上行信道冲激相应，再根据上行信道冲激相应通过波束赋形算法选择预编码，来指导下行数据的发送。

基站会根据实际发送的下行数据的具体情况选择使用静态，还是动态波束赋形矢量为多天线进行赋形。

基站为了产生多天线的方向性，增强服务扇区的接收信号功率，并减少对邻小区用户的干扰，会采用静态波束赋形矢量为多天线进行赋形，这样赋形矢量不会随着信道冲激相应的变化而变化。

基站为了更精确的服务小区内的用户，会跟据UE的上行信道冲激相应，为多天线增加动态波束赋形矢量进行多天线赋形，这样可以增强下行信号的指向性，提高UE接收信号的功率和信噪比，并减小对邻小区的干扰。

下面分别给出针对静态和动态波束赋形测试的实施例。

实施例一

针对静态波束赋形矢量进行测试。

参见图2，图2为本申请实施例一中多天线波束赋形测试流程示意图。具体步骤为：

步骤201，当基站使用静态波束赋形矢量为多天线进行赋形时，多通道信号分析仪接收到基站通过功分器分来的下行数据，并针对所述下行数据中的小区公共参考信号(CRS)计算每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量。

多通道信号分析仪计算每根天线的静态波束赋形矢量时，通过下行数据中的CRS进行计算。

步骤202，控制设备获取多通道信号分析仪计算的每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量，获取信道模拟器上配置的UE天线入射角度，以及基站上配置的相邻2天线的间距，以及天线的发射功率。

步骤203，该控制设备根据获取的每根天线的静态波束赋形矢量、UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率。

当基站发射下行数据的天线属于多个极化方向时，需针对每个极化方向的天线进行UE接收功率的计算。下面以针对一个极化方向计算UE接收功率为例：

设该极化方向有M根天线，则这M根天线的静态波束赋形矢量为[α_1,θ,α_2,θ,…α_M,θ]。

UE接收功率 $P_{RX,\mathrm{\θ}}=P_{TX}\·|\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\α}}_{m,\mathrm{\θ}}{e}^{2\mathrm{\π}j\·cos\left(\mathrm{\θ}\right)\·d(m-1)/\mathrm{\λ}}{|}^2-PL,$

其中，P_TX为基站的天线发射功率，所有天线的发射功率是一样的；θ为UE的天线入射角度，d为基站相邻2天线的间距，同一极化的两根相邻天线的距离是相同的，λ为系统波长，可以预先配置在控制设备上，也可以在控制设备需要的时候从基站上获取；PL为基站和UE之间的路径损耗控制设备在计算UE接收功率时，从信道模拟器上获得。

步骤204，该控制设备确定计算的各个极化方向的UE接收功率是否均不小于预设的小区内UE最小接收功率，如果是，执行步骤205；否则，执行步骤206。

在具体实现时，控制设备配置预设的小区内UE最小接收功率P_min，P_min的取值受小区覆盖范围大小、小区内用户数等因素影响，如可以配置典型值-70dBm。

步骤205，该控制设备确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送。

步骤206，该控制设备确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

本申请上述实施例是针对一个UE的天线入射角来确定当前使用的波束赋形算法是否适用当前的下行数据的发送，还可以修改信道模拟器上的UE的入射角，针对多个入射角确定基站当前使用的波束赋形算法是否适用下行数据的发送。

当需要针对不同的UE的入射角多次测试时，针对每个UE的入射角分别计算UE接收功率，当针对每个UE的入射角计算的UE接收功率均不小于预设的小区内UE最小接收功率，则确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送；否则，确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

实施例二

针对动态波束赋形矢量进行测试。

参见图3，图3为本申请实施例二中多天线波束赋形测试流程示意图。具体步骤为：

步骤301，当基站使用动态波束赋形矢量为多天线进行赋形时，控制设备获取信道模拟器播放的信道冲激相应矩阵，对该冲激相应矩阵进行奇异值分解(SVD)处理后获得的矩阵，取其前2列作为计算的波束赋形矢量。

上行和信道模拟器中播放时相同的不变信道冲激相应矩阵H，H为N×M维矩阵，N是UE接收天线数目，M为基站同一极化方向的天线根数。对H进行，SVD得到V矩阵，取其前2列作为计算的波束赋形矢量 $\mathrm{\ω}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\ω}}_{1,1}& {\mathrm{\ω}}_{1,2}& ...& {\mathrm{\ω}}_{1,M}\\ {\mathrm{\ω}}_{2,1}& {\mathrm{\ω}}_{2,2}& ...& {\mathrm{\ω}}_{2,M}\end{array}\right],$ 其为M×2维矩阵。

步骤302，多通道信号分析仪计算每根天线的平均动态波束赋形矢量。

多通道信号分析仪在时间段T内计算每根天线的平均动态波束赋形矢量 $\mathrm{\γ}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\γ}}_{1.1}& {\mathrm{\γ}}_{1,2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{1,M}\\ {\mathrm{\γ}}_{2,1}& {\mathrm{\γ}}_{2,2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{2,M}\end{array}\right].$

在计算每根天线的平均动态波束赋形矢量时，可以通过专用参考信号(DRS)或信道状态指示参考信号(CSI-RS)进行计算。

步骤303，控制设备获取多通道信号分析仪计算的每根天线的平均动态波束赋形矢量，并根据每根天线的平均动态波束赋形矢量，以及计算的波束赋形矢量计算基站动态波束赋形算法误差。

基站动态波束赋形算法误差δ为

步骤304，控制设备确定计算的基站动态波束赋形算法误差是否大于预设误差值，如果是，执行步骤305；否则，执行步骤306。

本申请实施例中的预设误差值可以根据实际应用配置，如0.1。

步骤305，该控制设备确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

步骤306，该控制设备确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送。

综上所述，本申请在被测基站和配合终端之间，引入现有无线通信测试仪表信道模拟器和多通道信号分析仪，通过设计信道模拟器中播放的信道衰落，基站根据信道衰落变化情况选择相应的预编码，采用多通道信号分析仪分析基站的预编码与理论结果之间的误差，定量的分析基站预编码算法的优劣。

利用已有LTE的测试设备和终端，定量给出基站波束赋形算法的优劣，并且给出基站静态波束赋形和动态波束赋形算法的性能。通过在信道模拟器中的设定特定的信道模型，可实时检验基站动态波束赋形算法的性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (5)

1.一种多天线波束赋形测试方法，应用于包括基站、信道模拟器和用户终端UE的系统中，其特征在于，该系统还包括：多通道信号分析仪和控制设备；该方法包括：

当基站使用静态波束赋形矢量为多天线进行赋形时，多通道信号分析仪接收到基站通过功分器分来的下行数据，并针对所述下行数据中的公共参考信号CRS计算每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量；

控制设备获取多通道信号分析仪计算的每个极化方向的每根天线的静态波束赋形矢量，获取信道模拟器上配置的UE天线入射角度，以及基站上配置的相邻2天线的间距，以及天线的发射功率；并根据获取的每根天线的静态波束赋形矢量、UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率；

该控制设备确定计算的各个极化方向的UE接收功率是否均不小于预设的小区内UE最小接收功率，如果是，确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送；否则，确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据获取的每根天线的静态波束赋形矢量、UE天线入射角度，相邻2天线的间距、天线的发射功率，以及基站和UE之间的路径损耗分别针对每个极化方向计算UE接收功率，包括：

针对任一极化方向计算UE接收功率

其中，α_1,θ为第m根天线的波束赋形矢量，M为该极化方向上的天线的根数；P_TX为基站的天线发射功率；θ为UE的天线入射角度，d为基站相邻2天线的间距，λ为系统波长；PL为基站和UE之间的路径损耗。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

控制设备当需要针对不同的UE的入射角多次进行波束赋形测试时，针对每个UE的入射角分别计算UE接收功率，当针对每个UE的入射角计算的UE接收功率均不小于预设的小区内UE最小接收功率，则确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送；否则，确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并记录测试结果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：

当基站使用动态波束赋形矢量为多天线进行赋形时，控制设备获取信道模拟器播放的信道冲激相应矩阵，对该冲激相应矩阵进行奇异值分解SVD处理后获得的矩阵，取其前2列作为计算的波束赋形矢量；

多通道信号分析仪接收基站通过功分器分来的下行数据，并根据所述下行数据中的CRS获得每根天线的平均动态波束赋形矢量；

控制设备获取多通道信号分析仪计算的每根天线的平均动态波束赋形矢量，并根据每根天线的平均动态波束赋形矢量，以及计算的波束赋形矢量计算基站动态波束赋形算法误差；

控制设备确定计算的基站动态波束赋形算法误差是否大于预设误差值，如果是，确定基站当前使用的波束赋形算法不适用当前下行数据的发送，并通知基站；否则，确定基站当前使用的波束赋形算法适用当前下行数据的发送。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据每根天线的平均动态波束赋形矢量，以及计算的波束赋形矢量计算基站动态波束赋形算法误差，包括：

基站动态波束赋形算法误差

其中，计算的波束赋形矢量 $\mathrm{\ω}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\ω}}_{1,1}& {\mathrm{\ω}}_{1,2}& ...& {\mathrm{\ω}}_{1,M}\\ {\mathrm{\ω}}_{2,1}& {\mathrm{\ω}}_{2,2}& ...& {\mathrm{\ω}}_{2,M}\end{array}\right],$ 每根天线的平均动态波束赋形矢量 $\mathrm{\γ}=\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\γ}}_{1,1}& {\mathrm{\γ}}_{1,2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{1,M}\\ {\mathrm{\γ}}_{2,1}& {\mathrm{\γ}}_{2,2}& ...& {\mathrm{\γ}}_{2,M}\end{array}\right],$ M为基站的天线根数，n为UE的天线根数。