CN108347268B - 用于执行多输入多输出(mimo)空中下载测试的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了多输入多输出(115)(MIMO)空中下载(OTA)测试系统和方法，其允许测量不具有用于将所述dut(106)的天线元件(112)与所述MIMO OTA测试系统(100)接通的天线连接器。所述MIMO OTA测试系统(100)和方法可包括透镜系统(105)，所述透镜系统(105)允许在辐射近场区执行OTA测试，由此允许在所述MIMO OTA测试系统(100)中使用相对小且不太昂贵的电波暗室(103)。

Description

用于执行多输入多输出(MIMO)空中下载测试的系统和方法
技术领域
本发明涉及用于执行多输入多输出(MIMO)空中下载(OTA)测试的系统和方法。
背景技术
在多输入多输出(MIMO)通信系统中，在基站在且在移动装置上使用多个天线，以利用被称为多径传播的现象来实现更高的数据速率。通常，MIMO通信系统在每个无线电信道上同时发送和接收多个数据信号。多径传播现象是在数据信号在基站和移动装置之间传播时影响到所述数据信号的环境因素的结果，这些环境因素包括例如电离层反射和折射、大气波管、来自地面物体的反射和来自水体的反射。由于这些因素，数据信号经历多径干涉，导致对数据信号的相长干涉、相消干涉、或衰减以及相移。MIMO技术已经在各种无线通信标准中标准化，这些标准包括电气和电子工程师协会(IEEE)802.11n、IEEE 802.11ac、HSPA+(3G)、WiMAX(4G)和长期演进(LTE)标准。
MIMO通信系统需要测试。用于执行对基站的“传导”测试的、典型的MIMO测试系统包括用户设备(UE)装置或者UE装置仿真器、基站被测装置(DUT)、测试系统计算机，和用于部件互连的各种电缆。UE装置或装置仿真器典型地通过电气RF电缆连接到衰减仿真器的输入端口，但在一些示例中，它们经由辐射空中接口电磁偶联到衰减仿真器的输入端口。衰减仿真器的输出端口连接到DUT。由于衰减仿真器的输出端口与DUT之间的有线连接，该测试称为“传导”测试。测试系统计算机典型地通过相应的电气数据电缆、诸如以太网电缆连接到UE装置或者UE装置仿真器，并且连接到衰减仿真器。测试系统计算机与基站DUT通信。在OTA测试期间，测试系统计算机接收来自基站DUT的信息，测试系统计算机处理该信息以评价所述基站DUT的发射能力和/或接收能力。
下一代无线基础设施(例如，基站、主干网(backbone)等等)和用户手持机被称作第五代移动式网络或者第五代无线系统，下文中称作“5G”。5G是涉及到毫米波频率使用、紧凑型相控阵列以及前所未有的电子集成量的非常远大的标准。不仅发射器和接收器将集成到收发器中，而且收发器将与贴片天线或天线阵列集成。对于UE装置及对于基站，都会是这种情况。集成的收发器和天线或者天线阵列下文中称为“集成收发器-天线组件”
在基站和UE装置的5G集成收发器-天线组件中，将不存在从无线电电子设备到天线元件的传统连接器。因为天线元件会非常小，并且会有大量的天线元件与同一电路板上的另外的电气部件集成在一起，用于将测试系统与天线元件接通的外部连接器会不可用。例如，收发器-天线组件可整合在同一印制电路板(PCB)封装或球栅阵列(BGA)封装中。换言之，整个无线电设备，包括其天线或天线阵列及其收发器，将是单个不可分割单元。由于这些原因，5G基站和UE装置将不能够通过执行传导测试的典型MIMO测试系统测试。
虽然如此，无线电设备制造商想要针对所有通常特性对他们的单元进行测试，例如接收机灵敏度(不存在干扰及存在干扰的情况)、总发射功率、调制格式的误差矢量幅值(EVM)、天线辐射模式等等。所有这些参数必须在产品设计阶段进行详细的测量和研究。集成收发器-天线组件的不可分性质使得传统的收发器测试方法变得无用。
目前可用于测试基站DUT的最佳MIMO测试系统是多探头电波暗室(MPAC)空中下载(OTA)测试系统。在典型的MPAC OTA系统中，基站DUT位于同样具有多探头天线元件构造的大电波暗室内。基站DUT的天线元件不需要在物理上连接到衰减仿真器的输出端口。相反，具有多探头天线元件构造的探测天线元件连接到衰减仿真器的输出端口以允许执行基站DUT的OTA测试而非传导测试。但是，MPAC OTA测试系统就成本和空间要求而言具有缺陷。一个缺陷在于，MPAC OTA测试方法是辐射远场测试方法，其需要将探头天线设置在基站DUT的辐射远场区中，而在大规模MIMO测试系统和高频(例如，28GHz)情况下，该辐射远场区可以是几米。因此，电波暗室必须是较大的，其典型地要求至少十个平方米的地面空间，这导致该室非常昂贵。
MPAC OTA测试系统还需要许多探头天线，和用以馈送所述探头天线的许多衰减仿真器信道。所需探头天线的数目作为信道模型中的簇的数目的函数增大，并且在多用户情况中，还作为用户数目的函数增大。此外，采用动态簇角度随时间演变的动态信道模型需要非常高数目的探头天线元件，即使在使用相对简单信道模型的单用户情况中也是这样。因此，由于需要非常大的电波暗室和具有非常大量数目的信道的仿真器，预期用于测试5G基站的MPAC OTA测试系统会是极其昂贵的。
需要一种稳固的OTA MIMO测试系统和方法，其可用于不具有用于将测试系统连接到基站或者UE装置的天线端口的连接器并且能够以较低成本实现的测试基站和UE装置。还需要这样一种MIMO测试系统和方法，其消除了对于大的电波暗室的需要，消除了对衰减仿真器具有非常大数目的信道的需要，并且消除了对于具有非常大数目的探头天线元件的探头天线元件阵列构造的需要。
发明内容
本实施例涉及MIMO OTA测试系统、方法和计算机代码。根据一实施例，所述MIMOOTA测试系统包括发射器装置、衰减仿真器、电波暗室、探头元件阵列，和测试系统计算机。所述发射器装置具有多个天线端口，从所述多个天线端口发射多个时变射频(RF)信号。衰减仿真器具有多个输入端口和多个输出端口。在衰减仿真器的输入端口中接收时变RF信号。衰减仿真器配置成根据预选参考信道模型和一组衰减信道系数对接收的时变RF信号操作，以产生多个时变RF输出信号。所述时变RF输出信号经由衰减仿真器的输出端口从所述衰减仿真器输出。探头天线元件阵列布置在电波暗室中，且电联接到衰减仿真器的输出端口以接收从衰减仿真器的输出端口输出的时变RF输出信号。探头天线元件阵列发出电磁(EM)波束，所述电磁(EM)波束具有基于所述预选参考信道模型和所述衰减信道系数的预定的波束形式和波束形状。DUT布置在电波暗室中，并具有经由非有线空中接口与探头天线元件阵列电磁偶联的多个天线元件。DUT的天线元件检测所述EM波束，并且产生RF输出信号。
测试系统计算机至少与DUT和衰减仿真器经由相应的通信链路通信。测试系统计算机用所述预选参考信道模型和所述一组衰减信道系数配置所述衰减仿真器，以导致由所述探头天线元件阵列发出的EM波束具有所述预定的波束形式和波束形状。测试系统计算机接收与由DUT的天线元件产生的所述RF输出信号有关的、来自DUT的测量信息。
该方法包括：
利用具有多个天线端口的、所述MIMO OTA测试系统的发射器装置，从所述发射器装置的天线端口发射多个时变射频(RF)信号；
利用所述MIMO OTA测试系统的衰减仿真器，在所述衰减仿真器的相应的输入端口中接收相应的时变RF信号，所述衰减仿真器配置成根据预选参考信道模型和一组衰减信道系数对接收的时变RF信号操作，以产生多个时变RF输出信号；
从所述衰减仿真器的输出端口从所述衰减仿真器输出所述时变RF输出信号；
利用电联接到所述MIMO OTA测试系统的衰减仿真器的输出端口的探头天线元件阵列，接收所述时变RF输出信号并且根据接收的时变RF输出信号执行波束形成操作和波束成形操作，以发出具有基于预选的信道参考模型且基于所述一组衰减信道系数的预定的波束形式和波束形状的电磁(EM)波束；
利用与所述衰减仿真器并且与DUT经由相应的通信链路通信的测试系统计算机，在从所述发射器装置的天线端口发射所述多个时变RF信号之前，用所述预选参考信道模型和所述一组衰减信道系数配置所述衰减仿真器，以导致由所述探头天线元件阵列发出的EM波束具有所述预定的波束形式和波束形状；
利用所述DUT的所述多个天线元件，检测所述EM波束并且产生RF输出信号；并且
利用测试系统计算机，接收与由DUT的天线元件产生的RF输出信号相关的、来自DUT的测量信息。
计算机代码包括第一代码部分和第二代码部分，所述第一代码部分执行获得所述一组衰减信道系数的算法。所述第二代码部分配置所述衰减仿真器以建模具有所获得的一组衰减信道系数的预选参考信道模型。
根据以下说明、所附权利要求和附图，这些及其他特征和优点将变得明显。
附图说明
当结合附图阅读时，从下面的详细描述中最好地理解示例实施例。需要强调的是，各种特征不一定按比例绘制。事实上，为了讨论的清楚起见，尺寸可以任意增大或减小。在适用和实际的情况下，同样的附图标记表示同样的元件。
图1是示出根据一代表性实施例的MIMO测试系统的示意性框图。
图2示出了表示根据一代表性实施例的、由图1所示的所述MIMO OTA测试系统执行的MIMO OTA测试方法的流程图。
图3示出了表示根据一代表性实施例的、由图1所示的所述MIMO OTA测试系统执行的OTA测试方法的流程图。
图4示出了根据一代表性实施例的所述MIMO OTA测试方法的流程图，其用于计算在图1所示的MIMO OTA测试系统中以及在图2、3中所示的流程图表示的方法中使用的衰减信道系数。
图5示出了根据一代表性实施例的所述MIMO OTA测试方法的流程图，其用于使用校准过程以获得在图1所示的MIMO OTA测试系统中以及在图2、3中所示的流程图表示的方法中使用的衰减信道系数。
具体实施方式
本文公开的代表性实施例涉及一种能够对不具有用于将DUT的天线元件与MIMOOTA测试系统接通的天线连接器的DUT进行测试的MIMO OTA测试系统和方法。所述MIMO OTA测试系统可包括允许在辐射近场区中执行OTA测试的透镜系统，由此允许在MIMO OTA测试系统中使用相对小且相对廉价的电波暗室。
在为解释而非限制目的的以下详细描述中，提出了公开具体细节的示例实施例以提供对根据本教导实施例的透彻理解。但是，对于获得本公开益处的本领域普通技术人员将明显地，偏离本文公开的细节的、根据本教导的其它实施例仍在所附权利要求的范围内。另外，关于熟知设备和方法的描述将被省略，以不会模糊对示例实施例的描述。这些方法和设备明显在本教导范围内。
这里使用的专有名词仅用于描述特定实施例的目的，而不意在限制。所定义的术语是作为在本教导的技术领域中通常理解和接受的、所定义术语的技术和科学含义之外的补充。
如在说明书和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确说明，否则不定冠词“一”和定冠词“该”包括单数指称和复数指称。因此，例如，“一装置”包括一个装置和多个装置。
如附图所示，可使用相对术语来描述多个元件彼此之间的关系。这些相对术语旨在涵盖装置和/或元件的、除附图中描述的取向之外的不同取向。
可理解的是，当元件被称为“连接到”或“偶联到”或“电偶联到”另一元件时，该元件可直接连接或偶联，或者可存在中间元件。
术语“存储器”或“存储器装置”，如本文使用的那些术语，旨在表示能够存储用于通过一个或者更多个处理器执行的计算机指令或者计算机代码的计算机可读存储介质。本文引用“存储器”或“存储器装置”应解释为一个或多个存储器或者存储器装置。存储器可例如是同一计算机系统中的多个存储器。存储器也可为在多个计算机系统或计算装置中分布的多个存储器。
“处理器”，如本文使用的术语，涵盖能够执行计算机程序或可执行计算机指令的电子部件。本文引用包括“处理器”的计算机应解释为具有一个或多个处理器或者处理核心的计算机。所述处理器可例如是多芯处理器。处理器也可指单个计算机系统内的处理器集合，或在多计算机系统中布置的处理器集合。术语“计算机”还应解释为可能指均包括有一个或多个处理器的单个计算机或计算装置，或计算机网络或者计算装置的集合。计算机程序的指令能够通过单个计算机或处理器执行，或者通过可在同一计算机内的或可在多个计算机上分布的多个处理器执行。
图1示出了根据用于执行DUT 106的OTA测试的一示例性或代表性实施例的MIMOOTA测试系统100的框图，根据该代表性实施例，DUT 106是基站(BS)，但本发明原理和构思也可应用于UE装置的OTA测试。根据这一代表性实施例，所述MIMO OTA测试系统100包括UE装置或者UE装置仿真器101、衰减仿真器102、电波暗室103、布置在电波暗室103中的探头天线元件104阵列、布置在电波暗室103中的透镜系统105，测试系统计算机110(其可为例如PC)。DUT 106布置在电波暗室103内，并具有多个天线元件112。为易于讨论，UE装置或者UE装置仿真器101在下文中将称为“UE装置101”，但应理解，UE装置101可指示真实的UE装置如手持式无线电设备(例如，智能电话)，或仿真实际UE装置的仿真器。
测试系统计算机110经由通信链路107、108和109分别电联接至UE装置101、衰减仿真器102和BS DUT 106。有线通信链路107、108和109可为有线或无线通信链路。重要的是，不必在BS DUT 106的天线连接器(未示出)和MIMO OTA测试系统100之间形成任何的有线或传导连接。实际上，为例示的目的，在此将假设BS DUT 106不具有这样的天线连接器。如上所述，对于设计成满足5G标准的BS，可预期BS不具有可对其形成有线或传导连接以将测试系统与BS的天线端口互连的天线连接器。如上所述，在需要在DUT的天线连接器和MIMO测试系统之间的这种有线连接的已知测试系统中，测试通常称为“传导”测试，而非OTA测试。所述MIMO OTA测试系统100能够进行不具有这些天线连接器的DUT(如设计成满足5G标准且不具有天线连接器的DUT)的OTA测试。
为执行非传导或OTA测试，测试系统计算机110配置所述衰减仿真器102，以考虑到要执行测试的OTA测试环境来建模预选参考信道模型。预选参考信道模型的信道系数h是通过衰减仿真器所建模的参考信道模型规定的(例如，通过特定标准的规范规定的)复数/复杂(complex)时变系数。当在执行传导测试的已知测试系统中执行信道仿真时，衰减仿真器将在其输入端口上接收的信号与相应的信道系数h卷积，以产生从衰减仿真器的输出端口输出的输出信号来驱动所述探头天线元件。因为所述MIMO OTA测试系统100执行非传导OTA测试，其利用加权系数w从而为测试期间BS DUT 106要暴露的电磁场组成期望的或预期的角度特性和偏振特性。加权系数w是在衰减仿真器102执行实际仿真操作之前确定。如下面参考公式1-9描述的，预选参考信道模型的信道系数h和为在测试期间BS DUT 106将暴露的电磁场规定预期的角度特性和偏振特性的加权系数w彼此偶联，以产生衰减信道系数C。
根据一实施例，测试系统计算机110执行将信道系数h与加权系数w偶联的算法以产生衰减信道系数C，并将衰减信道系数C上传到衰减仿真器102，衰减仿真器102利用它们调制沿着衰减仿真器102的信道传播的信号。衰减仿真器102将衰减信道系数C，而不是信道系数h与沿着衰减仿真器102的信道传播的信号卷积，以产生驱动探头天线元件104阵列的输出信号。根据另一实施例，加权系数w被确定并由测试系统计算机上传到衰减仿真器102中，衰减仿真器102将加权系数w与信道系数h实时偶联以产生衰减信道系数C，衰减仿真器102使用衰减信道系数C调制沿着衰减仿真器102的信道传播的信号。获得衰减信道系数C的方式在下面参考图4和5更详细地描述。
根据这一代表性实施例，UE装置101具有L个天线元件113，在所述天线元件113上发射和接收L个相应的时变RF信号，其中L是大于或等于2的正整数。MIMO OTA测试系统100是双向的，可用以测试BS DUT 106的发送和接收能力以及测试UE装置101的发送和接收能力。为便于讨论，将仅参考图1详细描述对BS DUT 106的接收能力的测试。对此示例，假设UE装置101分别具有第一和第二天线元件113a、113b(即，L＝2)，在所述第一和第二天线元件上分别发射第一和第二时变RF信号xm 1(t)、xm 2(t)。
衰减仿真器102具有L个输入端口，用于输入由UE装置101发射的时变RF信号。为此示例，假设衰减仿真器102具有分别用于输入第一和第二时变RF信号xm 1(t)、xm 2(t)的分别的第一和第二输入端口114a、114b。第一和第二时变RF信号xm 1(t)、xm 2(t)可经由相应的电气RF电缆(未示出)分别偶联到衰减仿真器102的分别的第一和第二输入端口114a、114b，或者作为替代，UE装置101和衰减仿真器102之间的接口可为辐射空气接口，使得第一和第二时变RF信号xm 1(t)和xm 2(t)经由所述辐射空气接口分别偶联到衰减仿真器102的分别的第一和第二输入端口114a、114b的第一和第二天线元件(未示出)。
测试系统计算机110将衰减仿真器102配置成建模包括有多个簇的预选参考信道模型。由衰减仿真器102建模的所述参考信道模型典型地是本领域中作为空间-时间-偏振信道模型已知的、基于几何结构的空间信道模型。所述参考信道模型是动态的，因为其能够根据由测试系统计算机110在通信链路108上发送到衰减仿真器102的控制信号而变化。如下面更详细描述的，测试系统计算机110配置衰减仿真器102以建模预选参考信道模型，并将得到的衰减信道系数C提供给衰减仿真器102，或者将加权系数w提供到衰减仿真器102，衰减仿真器102使用该加权系数w得到所述衰减信道系数C。衰减仿真器102将衰减信道系数C应用到这些簇。通过将不同的一组衰减信道系数C或者加权系数w发送到衰减仿真器102，测试系统计算机110能够随后改变由所述衰减仿真器102建模的预选参考信道模型的配置。
衰减仿真器102具有K个输出通道115，其中K是大于或等于2的正整数。衰减仿真器102的各输出115经由相应的电气RF电缆(以线116表示)连接到探头天线元件104阵列的探头天线元件104中的一个。衰减仿真器102具有多个信道，第一和第二时变RF信号xm 1(t)和xm 2(t)通过这些信道。随着第一和第二时变RF信号xm 1(t)、xm 2(t)通过这些信道，它们以预定方式通过衰减信道系数C(在图1中显示为cm 11(t)-cm k2(t))操作，以产生时变RF输出信号y1(t)-yk(t)。然后时变RF输出信号y1(t)-yk(t)施加到探头天线元件104。以此方式，测试系统计算机110对衰减信道系数cm 11(t)-cm k2(t)的选取和/或变化控制由探头天线元件104阵列执行的波束形成操作和波束成形操作。由此，测试系统计算机110动态改变探头天线元件104阵列执行波束形成操作和波束成形操作的方式。
透镜系统105设计和配置成以预定方式折射和/或反射由探头天线元件104发出的电磁波。由衰减仿真器102建模的各簇预选参考信道模型具有对其施加相应的一组前述加权系数w。每一组加权系数是基于多个参数，包括(1)透镜系统105上的预期簇到达角；(2)BSDUT 106上的预期簇到达角；和(3)在探头天线元件104上的预期簇离去角。如上所述，相应的加权系数w与相应的信道系数h偶联以产生衰减信道系数C，衰减信道系数C由测试系统计算机110上传到衰减仿真器102中，或者在衰减仿真器102中基于由测试系统计算机110上传到衰减仿真器102中的加权系数w实时确定。衰减仿真器102利用衰减信道系数C调制沿着衰减仿真器102的信道传播的信号，以产生驱动探头天线元件104的衰减仿真器102的输出信号y1(t)-yk(t)。
在电波暗室103中采用透镜系统105允许将探头天线元件104设置在BS DUT 106的辐射近场区中。如上所述，对于典型MPAC OTA系统执行的测试方法，需要探头天线处于DUT的辐射远场区中，这导致电波暗室耗用数十平方米的占地面积。相反，电波暗室103仅仅需要尺寸足够大以满足辐射近场区要求以及安放探头天线元件104阵列、透镜系统105、BSDUT 106和任何的支撑部件。如本文使用的，术语“辐射近场区”表示背离DUT天线112直至2D2/λ(即，Fraunhofer距离)的一段距离的区域，其中D是DUT天线112的直径并且λ是DUT天线112的工作波长。透镜系统105可为单个电磁折射透镜、单个电磁反射器、多个电磁折射透镜、多个电磁反射器或者一个或多个电磁折射透镜和电磁反射器的组合。
在其中通过探头天线元件104阵列执行的波束形成和/或波束成形任务中的全部或一部分在类似物域中执行的情况中，探头天线元件104阵列可包括例如一个或多个模拟RF部件，如一个或多个移相器。在这些情况中，根据衰减信道系数C对一个或多个探头天线元件104的加权由至少一个模拟RF部件执行。为易于例示，这些模拟RF部件在图1中未示出。在其中波束形成和/或波束成形任务完全在数字域执行的情况中，衰减仿真器102的各输出端115连接到探头天线元件104中的相应的一个，由此输出端口115的数目等于探头天线元件104的数目，从而各相应的衰落信道系数被施加到相应的探头天线元件104。在其中波束形成和/或波束成形任务部分地在数字域且部分地在模拟域中执行的情况中，衰减仿真器102的各输出端115可连接到相应的子组的探头天线元件104，其中各子组具有至少一个探头天线元件104。在后者情况中，各子组中的探头天线元件104通过模拟RF部件互连，以允许对所述子组中的探头天线元件104进行相位和振幅调整，从而实现预期的加权。为易于讨论，下文中假设全部的波束形成和波束成形任务在数字域中执行，但基于在此提供的描述，本领域技术人员会理解，本发明原理和构思也应用于在模拟域执行的或者部分在数字域且部分在模拟域执行的波束形成和波束成形任务。
除提供在MIMO OTA测试系统100中使用更小的电波暗室103的能力而不需要BSDUT 106具有用于将BS DUT 106的天线元件与MIMO OTA测试系统100接通的天线连接器的优点之外，MIMO OTA测试系统100提供其它优点。一个附加优点在于，需要的探头天线元件104的数目和衰减仿真器102的输出端口115的数目不取决于参考信道模型中的簇的数目或者测试情形中使用的UE装置101的数目。相反，探头天线元件104的数目和衰减仿真器102的输出端口115的数目取决于最小所需簇角度范围，因为所述簇角度范围由探头天线元件104阵列提供的波束宽度控制。这允许在选择所述参考信道模型上的更大灵活性，并允许将MIMO OTA测试系统100的成本保持为较低。此外，能够不依赖于MIMO OTA测试系统100中采用的探头天线元件104的数目，由测试系统计算机110动态地、准确地并平滑地控制所述簇角度范围。另一优点在于，波束宽度依赖于MIMO OTA测试系统100中使用的探头天线元件104的数目，这意味着波束宽度以及波束之间的间隔能够通过选取MIMO OTA测试系统100中采用的探头天线元件104的数目来控制。此外，最小可实现的簇角度范围也可比由探头天线元件104阵列提供的波束宽度更窄，因为透镜系统105能够将波束聚焦到BS DUT 106上，如果需要的话。
图2示出了表示根据一代表性实施例的、图1所示的MIMO OTA测试系统执行的测试方法的流程图。因为MIMO OTA测试系统100是双向的，并可用以测试BS DUT 106的发送和接收能力以及测试UE装置101的发送和接收能力，图2流程图表示的方法不区分正发射测试信号的装置(其可为UE装置、UE装置仿真器、BS或者BS仿真器)和被测试的DUT(其可为UE装置或者BS)。该流程图将发射测试信号的装置称为“发射器”，并将被测试的DUT称为“该DUT”。
在执行该测试方法之前，执行测试系统建立过程。对于图1所示的MIMO OTA测试系统100，所述测试系统建立过程包括如下步骤：将探头天线元件104的阵列、透镜系统105和BS DUT 106布置在电波暗室103中；将第一组电气RF电缆的第一和第二端分别连接到衰减仿真器102的输出端口115和探头天线元件104；选取参考信道模型；以及配置衰减仿真器102以建模预选参考信道模型。
在已经执行测试系统建立过程之后，衰减仿真器102配置成用一组衰减信道系数建模预选参考信道模型，如框201所示。所述预选参考信道模型限定多个簇，和并且对于每个簇，限定三维(3-D)及3-D簇到达方向和角范围。根据一实施例，经由通信链路108与衰减仿真器102通信的测试系统计算机110计算所述一组衰减信道系数C或在校准过程期间获得所述一组衰减信道系数C，并将其上传到衰减仿真器102，如下面分别参考图4和5更详细描述的。作为替代，测试系统计算机110计算一组加权系数w或者经由校准过程获得所述一组加权系数w，并将其上传到衰减仿真器102，然后衰减仿真器102使用该一组加权系数w产生衰减信道系数C。在任何情况下，使用所述衰减信道系数C执行仿真过程。相应的时变RF信号然后从OTA测试系统的发射器装置的相应的天线端口发射，如框202所示。为此目的使用的发射器装置可为UE装置的发射器或者BS的发射器，这取决于测试BS或UE装置。
在衰减仿真器102中，在衰减仿真器102的相应的输入端口114中接收时变RF信号，如框203所示。如上所述，衰减仿真器102配置成建模一预选参考信道模型，该预选参考信道模型具有多个簇和通过测试系统计算机110提供衰到减仿真器102的一组衰减信道系数。在衰减仿真器102中，根据所述预选参考信道模型和所述一组衰减信道系数对接收的时变信号进行操作，以产生相应的时变RF输出信号，如框204所示。相应的时变RF输出信号从衰减仿真器102经过衰减仿真器102的K个相应的输出端口115输出，如框205所示。如上所述，衰减仿真器102的K个输出端口连接到第一组电气RF电缆的第一端，并且第一组电气RF电缆的第二端连接到布置在电波暗室103中的探头天线元件104阵列。
探头天线元件104阵列接收K个时变RF输出信号，并根据接收的时变RF输出信号执行波束形成操作和波束成形操作以发出具有预定的波束形式和波束形状的电磁(EM)波束，如框206所示。由探头天线元件阵列发出的EM波束的形状和形式是基于由衰减仿真器102使用以执行仿真操作的所述预选的信道参考模型和所述一组衰减信道系数C。由此，如上所述，测试系统计算机110通过配置衰减仿真器102以建模具有所述一组衰减信道系数C的预选参考信道模型，来控制由探头天线元件104阵列发出的EM波束的形式和成形。
布置在电波暗室103中的透镜系统105将具有预定形式和形状的所述EM波束偶联到DUT 106上，如框207所示。DUT 106的多个天线元件检测所述EM波束，并产生RF输出信号，如框208所示。测试系统计算机110接收与由DUT 106产生的RF输出信号相关的、来自DUT106的测量信息，如框209所示。与由DUT 106产生的RF输出信号相关的各类型的测量信息可由DUT 106发送到测试系统计算机110，例如包括相位测量和功率测量。本发明原理和构思关于DUT 106发送到测试系统计算机110的测量信息类型并无限制。
如上所述，测试系统计算机110另外构造成动态地改变由衰减仿真器102使用的所述一组衰减信道系数C，以改变由探头天线元件阵列104发出的EM波束的形式和形状。在图3中示出的流程图表示根据一代表性实施例的用于动态改变由衰减仿真器102使用的所述一组衰减信道系数C的方法，由此改变由探头天线元件阵列104发出的EM波束的形式和形状。
流程图中的框301表示如下步骤：通过改变在图2中的框204表示的仿真操作中使用的所述预先一组衰减信道系数C的衰减信道系数C中的至少一者，来配置衰减仿真器102。此步骤能够通过改变衰减信道系数C或通过改变加权系数w完成，所述加权系数w与信道系数h组合使用以产生所述衰减信道系数C。在框302表示的步骤中，从OTA测试系统的发射器装置的相应的天线端口发射相应的时变RF信号。在衰减仿真器102中在衰减仿真器102的相应的输入端口114中接收所述时变RF信号，如框303所示。在衰减仿真器102中，根据所述预选参考信道模型和改变的所述一组衰减信道系数对接收的时变信号进行操作，以产生相应的时变RF输出信号，如框304所示。从衰减仿真器102经过衰减仿真器102的K个相应的输出端口115输出相应的时变RF输出信号，如框305所示。
探头天线元件104阵列接收K个时变RF输出信号，并根据接收的时变RF输出信号执行波束形成操作和波束成形操作以发出具有预定的波束形式和波束形状的EM波束，如框306所示。由探头天线元件104阵列发出的EM波束的所述预定的波束形式和波束形状是基于所述预选的信道参考模型，并基于由衰减仿真器102使用以执行仿真操作的改变的所述一组衰减信道系数。由此，如上所述，通过改变由衰减仿真器102使用以执行仿真操作的所述一组衰减信道系数，测试系统计算机110动态改变由探头天线元件104阵列发出的EM波束的波束形式和波束形状。
布置在电波暗室103中的透镜系统105将具有所述预定的波束形式和波束形状的EM波束偶联到所述DUT 106，如框307所示。DUT 106的多个天线元件检测所述EM波束并且产生RF输出信号，如框308所示。测试系统计算机110接收与由DUT 106产生的RF输出信号相关的、来自DUT 106的测量信息，如框309所示。
虽然图2和3的流程图描绘了单独的过程，但这些过程可汇合成单个过程。图2的框202-209表示的步骤实际上分别与图3的框302–309表示的步骤实质上相同。因此，这些过程可通过例如将框209的输出连接到框301的输入、消除框302-309，以及将框301的输出连接到框202的输入而汇合。在本示例中，框204表示的仿真过程会使用在框201处提供的所述一组衰减信道系数C或者在步骤301处根据由测试系统计算机110经由通信链路108发送到衰减仿真器102的控制信号提供的改变的所述一组衰减信道系数C来执行。
由测试系统计算机110发送到衰减仿真器102的衰减信道系数C可由测试系统计算机110计算，或它们可由测试系统计算机110通过校准过程确定。作为替代，测试系统计算机110可计算加权系数w，并将它们上传到衰减仿真器102，在此情况中，衰减仿真器102在仿真过程中将加权系数w与信道系数h实时偶联以产生衰减信道系数C。在测试系统计算机110中或在衰减仿真器102中计算衰减信道系数C的过程将首先参考一代表性实施例进行描述。
对于各具有以s＝1、…、S注明的S个天线端口的M个UE装置，UE辐射模式是已知的并且嵌入在参考信道模型中，其中M是大于或等于1的正整数。所述参考信道模型包括标注为n＝1、…、N的N个簇或者传播路径，其中N是大于或等于2的正整数。探头天线元件104阵列具有标注为k＝1、…、K的K个探头天线元件。探头天线元件104在电波暗室103中处于预选位置，并具有预选辐射模式。
UE装置m的天线端口s与DUT之间的参考信道模型可表示为：
Figure BDA0001552640070000141
其中ΩDUT＝(φDUT,θDUT)表示簇方位角和DUT的到达仰角(用于测试DUT发射器能力的离开)，并且τ是簇延迟。在OTA测试中，UE天线响应被嵌入在信道系数h中，而DUT天线响应从信道系数h排除。如上所述，测试系统是双向的并且是往复的。为易于讨论并且为简洁起见，下面仅描述上行链路方向(即，UE装置发射，DUT接收)。
在该测试期间，UE装置m的天线元件s的每个簇n通过探头天线元件104阵列的波束[n、m]发射，使得实现正确的簇到达角以用于接收DUT。通过探头天线元件104阵列的波束[n、m]发射的复合信号可表示为：
Figure BDA0001552640070000142
其中fk∈C是探头天线元件104阵列的探头天线元件k的响应。EM传播场、即与由波束[n、m]传输的
Figure BDA0001552640070000143
相对应的EM传播波构成的波阵面传播通过透镜系统105，透镜系统105朝向透镜系统105的焦点折射和/或反映EM传播波。根据这一代表性实施例，所述焦点位于布置有BS DUT 106的、电波暗室103的测试区域的中心。从探头天线元件104阵列的探头元件离去的角(Ω探头)和从透镜系统105离去的角(ΩLAS)之间的关系能够表示为：
(φLAS，θLAS)＝(-qφ探头，-pθ探头)，(方程3)
其中q和p取决于透镜系统105的焦点位置、透镜系统105和探头天线元件104阵列之间的距离，以及ΩDUT。
为对BS DUT 106产生以方程1表述的参考信道模型，从透镜系统105的簇离去角设定为对应于DUT 106的簇到达角。这一要求可表示为：
Figure BDA0001552640070000151
并且需要的从探头天线元件104阵列的簇离去角可表示为：
Figure BDA0001552640070000152
波束[n、m]的辐射模式可表示为：
Figure BDA0001552640070000153
并且在时刻t的簇n的加权系数
Figure BDA0001552640070000154
是可表示为方程7的矢量：
Figure BDA0001552640070000155
计算方程7的加权系数矢量以最大化探头天线元件104阵列在方向
Figure BDA0001552640070000156
上的辐射模式。测试系统计算机110能够使用任何简单的波束形成算法以计算所述加权系数，使得所述波束朝向期望的离去角最大化。例如，执行由如下方程在数学上表示的操作的波束形成算法会适用于此目的：
Figure BDA0001552640070000157
另外，在计算所述加权系数中，能够通过测试系统计算机110执行任何通用波束成形算法，以根据簇角度范围调节所述EM波束的宽度并且使得阵列旁瓣(sidelobes)在朝向透镜系统105的方向上最小化。
测试系统计算机110上传到衰减仿真器102并分别在图2和3的框204、304中使用的衰减信道系数C通过由测试系统计算机110执行的将加权系数矢量w与信道系数向量h偶联的算法根据以下表达式计算：
Figure BDA0001552640070000158
如上所述，加权系数w可通过测试系统计算机110根据方程7、8计算，然后上传到衰减仿真器102，在该情况中，在衰减仿真器102中实时地执行以方程9表示的计算。由探头天线元件104阵列的各探头天线元件k发射的信号可表示为：
Figure BDA0001552640070000159
图4示出了表示被执行以根据方程1-9计算衰减信道系数C的方法的流程图。衰减信道系数C典型地在执行OTA测试之前计算，但在一些示例中，它们可在OTA测试期间实时计算。选取要由衰减仿真器102建模的参考信道模型，如框401所示。如上所述，选择的参考信道模型限定多个簇以及用于每个簇的3-D簇到达方向和簇角度范围。为选择的参考信道模型计算加权系数w，如框402所示。计算加权系数w的方式如上面参考方程7所述。在选择参考信道模型之时，已知信道系数h。然后，使用加权系数w和信道系数h计算衰减信道系数C，如框403所示。如上所述，框403表示的过程可在测试系统计算机110中执行，或者部分地在测试系统计算机110中且部分地在衰减仿真器102中执行。使用加权系数w和信道系数h计算衰减信道系数C的方式在上面参考方程9进行了描述。然后衰减信道系数C由衰减仿真器102使用以调制沿着衰减仿真器102的信道传播的信号，如框404所示。
簇功率角度谱(cluster power angular spectrum)本质上通常是拉普拉斯算子。由探头天线元件104阵列形成的EM波束图案的形状通常是拉普拉斯算子形状的良好近似。因此，也能够通过改变用于波束形成的探头天线元件104的数目(即，对未使用的探头天线元件104将衰减信道系数设置为零)，实现对波束宽度的调节。波束[n,m]在簇[n,m]的角度覆盖范围外是非零的。在期望的簇角度覆盖范围之外的辐射被看作对于其它用户/簇的不当干扰，并且其可被认为是错误。这一错误能够通过使得探头天线元件104阵列在透镜系统105的观测角内的旁瓣最小化而被最小化。DUT的天线元件和波束形成算法之间的间隔能够被优化，以使得DUT的天线元件的旁瓣在透镜系统105的观测角内最小化。通过对MIMO OTA测试系统100添加更多探头天线元件104，能够减少可实现的旁瓣电平(sidelobe level)。
现在说明能够通过使用校准过程而非通过计算来确定分别在图2和3的的步骤204、304中使用的衰减信道系数C的方式。测试区域假设为近似于DUT 106的平面天线元件阵列的矩形表面。该测试区域用由矢量
Figure BDA0001552640070000164
限定的L个位置来采样，其中l＝1、…、L。上述的测试系统建立过程包括对透镜系统105、探头天线元件104阵列、电波暗室103的EM特性以及其它部件的校准。这些部件通过测量从各探头天线元件104到各相应的测试区位置rl的传递函数(function)来校准。所述传递函数的测量能够通过使用例如网络分析器(未示出)和已知的校准天线(未示出)来获得。所述校准过程分别对于两个正交发射器偏振和两个正交接收器偏振执行。结果是针对每
Figure BDA0001552640070000165
对的2乘2偏振传递函数：
Figure BDA0001552640070000161
为简单起见，在下文讨论中省略偏振维度。预期校准值的非对角线项较小，并且能够被忽略。此外，可利用
Figure BDA0001552640070000162
和
Figure BDA0001552640070000163
对于两个偏振分开地执行找到加权系数w的以下步骤。结果是作为频率的函数的复数/复杂(complex)传递函数的矩阵：
Hc(f)＝{cl,k(f)}∈CL×K.(方程12)
利用加权系数的矢量(复数权重)w＝{wk}∈CK×1，在S个测试区位置上的EM场能够表示为：
b(f)＝Hc(f)w∈CL×1.(方程13)
应注意到，原则上加权系数w的矢量也能够根据频率形成。
假定预选参考信道模型是典型的基于几何的模型，且由此对于如DUT 106观测的簇n，在其它方面中指定簇功率、标称方位角和到达(离去)仰角Ωn＝(φn,θn)以及方位角范围和仰角范围Φn,Θn。典型地，预选参考信道模型还指定功率角分布的形状函数。基于此信息的所有，用于簇n的功率角谱(PAS)指定为
Figure BDA0001552640070000171
假设在相干相位，目标PAS能够投射到测试区的第l个样本，如方程14：
Figure BDA0001552640070000172
其中
Figure BDA0001552640070000173
是方向
Figure BDA0001552640070000174
的单位矢量，“·”表示矢量点积，并且vc是光的速度。PAS在簇角度的动态建模的情况中是时变的，且因此测试区al的样本也能够是时变的。将簇n的目标场限定为an(f)＝{al(f)}∈CL×1，用于簇n的加权系数w的矢量能够通过使用数值优化方法将以下成本函数最小化来确定：
Figure BDA0001552640070000175
其中wn在时变al的情况下由于簇角度的动态建模而是时变的。
在确定了加权系数w的矢量的情况下，能够通过测试系统计算机110以前述方式根据方程9确定衰减信道系数C。测试系统计算机110将衰减信道系数C上传到衰减仿真器102，并由衰减仿真器102使用衰减信道系数C以执行分别在图2和3的框204、304中表示的仿真操作。
图5示出了表示由测试系统计算机110执行以经由校准过程根据方程11-15和9确定衰减信道系数C的方法的流程图。选取要通过衰减仿真器102建模的参考信道模型，如框501所示。在校准过程中，获得的测量数据被用于计算用于选择的参考信道模型的加权系数w，如框502所示。获得测量数据并用其计算加权系数w的方式如上参考方程11-15所述。信道系数h在选取参考信道模型之时已知。然后将加权系数w和信道系数h用于计算衰减信道系数C，如框503所示。使用加权系数w和信道系数h计算衰减信道系数C的方式如以上参考方程9所述。然后，衰减信道系数C在衰减仿真器中被用于调制沿着衰减仿真器的信道传播的信号，如框504所示。
测试系统计算机110具有一个或多个处理器(未示出)，所述一个或多个处理器配置成执行呈软件和/或固件形式的计算机指令或者代码，以执行上面参考图2-5描述的算法。这些指令存储在测试系统计算机110内部或外部的一个或多个存储器装置中。这些存储器装置构成非暂态计算机可读介质。各种非暂态计算机可读介质适用于本发明使用，其包括例如固态存储装置、磁存储装置以及光存储装置。
虽然已经在附图和前述描述中例示和详细描述了本发明，但这些例示和描述被认为是说明性或者示例性的，而非限制性的。本发明不局限于所公开的实施例。例如，虽然图1所示的MIMO OTA测试系统100包括透镜系统105，但MIMO OTA测试系统的其它实施例可不包括透镜系统105，在这些情况下，电波暗室将需要足够大以使测试能够在辐射远场区执行。作为另一示例，虽然在图1中将UE装置101描绘为发射测试信号，而将BS描绘为接收所发射信号的DUT 106，但在其它实施例中，BS发射测试信号，而UE装置是接收所发射信号的DUT。换言之，如果测试DUT的接收能力，则发射测试信号的装置可为任何合适的发射器或者收发器装置，而接收测试信号的DUT可为任何合适的接收器或者收发器装置。如果测试DUT的发射能力，则发射测试信号的DUT可为任何合适的发射器或者收发器装置，而接收所发射信号的接收器可为任何合适的接收器或者收发器装置。通过研究附图、本公开内容以及所附权利要求书，所公开实施例的其它变化能够由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时理解和实现。

Claims (10)

1.多输入多输出(115)(MIMO)空中下载(OTA)测试系统，所述测试系统用于测试被测装置(dut(106))，所述测试系统包括：
发射器装置，所述发射器装置具有多个天线端口，从所述多个天线端口发射多个时变射频(RF)信号；
衰减仿真器(102)，所述衰减仿真器(102)具有多个输入端口(114)和多个输出端口(115)，在所述输入端口(114)中接收所述时变RF信号，所述衰减仿真器(102)构造成根据预选参考信道模型和一组衰减信道系数对接收的时变RF信号进行操作，以产生多个时变RF输出(115)信号，所述时变RF输出(115)信号从所述衰减仿真器(102)经由所述衰减仿真器(102)的输出端口(115)输出；
电波暗室(103)；
探头天线元件(104)的阵列，所述探头天线元件(104)的阵列布置在所述电波暗室(103)中，并电联接到所述衰减仿真器(102)的输出端口(115)以接收从所述衰减仿真器(102)的输出端口(115)输出的所述时变RF输出(115)信号，所述探头天线元件(104)的阵列发出具有基于所述预选参考信道模型和所述衰减信道系数的预定的波束形式和波束形状的电磁(EM)波束；
dut(106)，所述dut(106)布置在所述电波暗室(103)中并具有多个天线元件(112)，所述多个天线元件经由一非有线空中接口与所述探头天线元件(104)的阵列电磁式联接，所述dut(106)的天线元件(112)检测EM波束并产生RF输出(115)信号；和
测试系统计算机(110)，所述测试系统计算机经由相应的通信链路(107)至少与所述dut(106)和所述衰减仿真器(102)通信，其中所述测试系统计算机(110)用所述预选参考信道模型和所述一组衰减信道系数配置所述衰减仿真器(102)，以使由所述探头天线元件(104)的阵列发出的所述EM波束具有所述预定的波束形式和波束形状，并且其中所述测试系统计算机(110)从所述dut(106)接收与由所述dut(106)的天线元件(112)产生的所述RF输出(115)信号相关的测量信息。
2.根据权利要求1所述的测试系统，进一步包括：
透镜系统(105)，所述透镜系统(105)将所述EM波束偶联到所述dut(106)的天线元件(112)上。
3.根据权利要求2所述的测试系统，其中所述dut(106)位于所述探头天线元件(104)的阵列的辐射近场区内。
4.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述dut(106)位于所述探头天线元件(104)的阵列的辐射远场区内。
5.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述dut(106)包括基站，并且所述发射器装置包括用户设备(UE)装置或者ue装置仿真器(101)。
6.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述发射器装置包括基站，并且所述dut(106)包括用户设备(UE)装置或者ue装置仿真器(101)。
7.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述dut(106)的天线元件(112)在一封装内，所述封装不具有用于在MIMO OTA测试系统(100)和所述dut(106)的天线元件(112)之间进行电互连的天线连接器。
8.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述测试系统计算机(110)执行计算用于所述预选参考信道模型的加权系数的算法，并将所述加权系数与所述预选参考信道模型的信道系数偶联以获得所述一组衰减信道系数。
9.根据权利要求1所述的测试系统，其中所述测试系统计算机(110)经由校准过程执行确定用于所述预选参考信道模型的加权系数的算法，并将所述加权系数与所述预选参考信道模型的信道系数偶联以获得所述一组衰减信道系数。
10.一种非暂态计算机可读介质，其上存储计算机代码，所述计算机代码用于通过根据权利要求1-9中任一项所述的多输入多输出(115)(MIMO)空中下载(OTA)测试系统的测试系统计算机(110)执行。
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