CN113905412B - 一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统 - Google Patents

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CN113905412B CN202111516240.3A CN202111516240A CN113905412B CN 113905412 B CN113905412 B CN 113905412B CN 202111516240 A CN202111516240 A CN 202111516240A CN 113905412 B CN113905412 B CN 113905412B
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Abstract

本发明公开了一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，所述测试系统由基站暗室、基站暗室探头墙、信道模拟器、终端暗室与终端暗室探头墙组成。其中，基站暗室探头墙与终端暗室探头墙是由收发分离的毫米波有源双极化天线组成，同时毫米波有源双极化天线只具备接收信号或者发射信号的能力。本发明所述的测试系统可以实现从毫米波基站到毫米波终端的“端到端”测试，且无需引入与待测通信设备收发信号同步所需的触发信号，适用于多种毫米波应用场景，并能实现对毫米波基站设备与终端设备整体性能高效、准确的评估。

Description

一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统
技术领域
本发明涉及5G空口测试技术，特别是一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统。
背景技术
为了减少导频资源的开销，目前的商用毫米波通信设备主要采用时分多址(TDD)的方式，即上、下行信号的切换是通过射频开关实现的。这样，基站设备可以利用估计出的上行信道信息直接作为下行信道信息，不需要对下行信道再次进行信道估计。这要求上下行信道在一定时段内保持一致，既满足一定的信道互易性。
目前，在毫米波通信设备的空口性能测试中，为了实现用于测试的毫米波变频模块中的收/发通路与待测毫米波通信设备的上、下行信号保持时序上的同步，一般需要基站侧引出用于上下行信号切换的触发信号给毫米波变频模块，这一方面需要基站厂商的对设备进行更改来配合测试，另一方面增加了变频模块的设计难度。
目前的毫米波通信设备性能测试系统中，一般毫米波双极化天线是通过线缆与毫米波功率变频模块相连，且一般同轴线缆长度较长，造成毫米波信号的链路损耗较大，增加了功率变频模块的设计难度，影响了测试系统的动态范围，限制测试系统的测试范围且增加测试成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，该系统不需要待测设备提供用于与测试系统实现收发信号同步的触发信号，同时能保证构建出的毫米波上、下行信道基本是互易的，实现对毫米波基站设备与终端设备整体性能高效、准确的评估。
技术方案：本发明所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，包括基站暗室、基站暗室探头墙、信道模拟器、终端暗室和终端暗室探头墙。
所述基站暗室与所述基站暗室探头墙用来测量待测基站的性能，基站所在区域为基站暗室待测区域；所述基站暗室探头墙放置于所述基站暗室中；所述基站暗室探头墙由多个毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收或者发射信号的能力；在所述待测基站上行通信能力测试中，所述基站暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射天线通过空间辐射的方式，将所述信道模拟器的信号发送给所述待测基站；在所述待测基站下行通信能力测试中，所述待测基站将下行信号通过空间辐射的方式给所述基站暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化接收天线，所述毫米波有源双极化接收天线将接收到的信号传送给所述信道模拟器；所述基站暗室探头墙与终端暗室探头墙由多个收发分离的毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线分布于所述基站暗室探头墙与所述终端暗室探头墙上以所述待测区域为球心的球面区域内。所述基站暗室探头墙的半径为3m，球面区域的方位角张角为120°，俯仰角张角为40°；所述终端暗室探头墙的半径为1.5m，球面区域的方位角张角为60°，俯仰角张角为30°。所述基站暗室探头墙上两相邻的所述毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔0.8°，俯仰角相隔0.5°，且两相邻的所述毫米波有源双极化接收或发射天线方位角相隔5°，俯仰角相隔5°。
所述终端暗室与所述终端暗室探头墙用来测量待测终端的性能，终端所在区域为终端暗室待测区域；所述终端暗室探头墙放置于所述终端暗室中；所述终端暗室探头墙由多个毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收或者发射信号的能力，即为所述毫米波有源双极化发射天线与所述毫米波有源双极化接收天线；在所述待测终端上行通信能力测试中，所述待测终端将上行信号通过空间辐射的方式给所述终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化接收天线，所述毫米波有源双极化接收天线将接收到的信号传送给所述信道模拟器；在所述待测终端下行通信能力测试中，所述终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射天线通过空间辐射的方式，将所述信道模拟器的信号发送给所述待测终端；所述终端暗室探头墙上两相邻的所述毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔5°，俯仰角相隔2°，且两相邻的所述毫米波有源双极化接收或发射天线方位角相隔10°，俯仰角相隔10°。
所述信道模拟器用于模拟毫米波传输的空间信道参数，且所述信道模拟器有多个输入、输出端口，端口通过线缆与所述基站暗室探头墙、终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化天线相连。
用于测试的探头天线是由毫米波有源双极化天线组成的，该所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收信号或者发射信号的功能。
一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统的评估方法，所述评估方法用于上述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，所述评估方法具体为：假设所述待测毫米波基站或待测毫米波终端的天线排布为A＝N×M的矩形阵列，其中N表示纵向天线单元数，M表示横向天线单元数；假设对于所述基站或终端暗室，目标MIMO信道的空间角度功率谱(PAS)分布为
Figure GDA0003497252390000031
其是空间上关于俯仰角θ、方位角
Figure GDA0003497252390000032
的函数；目标MIMO信道的信道响应函数为
Figure GDA0003497252390000033
其维度为N×M。
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端，用巴特勒特角度估计算法计算出所述待测毫米波基站或待测毫米波终端观察到的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000034
其与目标MIMO信道和所述待测毫米波基站或待测毫米波终端的天线排布有关；另一方面，通过给所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化天线赋予不同的权重系数wk，在所述基站或终端暗室的所述待测区域内构建出目标MIMO信道环境。
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备的上行链路测试，所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备观察到的所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000035
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备的下行链路测试，所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备观察到的所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000036
根据给定的信道构建精度δ1，所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射或接收天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure GDA0003497252390000037
且
Figure GDA0003497252390000038
其中，||·||2表示函数的2范数。
同时，为了保证构建出上、下行信道满足互易性，给定上、下行信道互易性构建精度δ2，所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射和接收天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure GDA0003497252390000039
当上述评估条件同时满足时，认为所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统符合测试需求。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统。
一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：该测试系统可以实现从毫米波基站到毫米波终端的“端到端”测试，且无需引入与待测通信设备收发信号同步所需的触发信号，适用于多种毫米波应用场景。
附图说明
图1是一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统框图。
图2是基站暗室探头墙部分的毫米波有源双极化接收天线与毫米波有源双极化发射天线排布示意图。
图3是终端暗室探头墙部分的毫米波有源双极化接收天线与毫米波有源双极化发射天线排布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，该收发天线分离的毫米波通行设备性能测试系统是一种具有多探头的双暗室测试系统，其包括基站暗室、基站暗室探头墙、信道模拟器、终端暗室与终端暗室探头墙。
其中，基站性能测试部分用于毫米波基站性能测试，终端性能测试部分用于毫米波终端性能测试。两者的结构均包括暗室与多个毫米波有源双极化天线组成的探头墙。暗室具有全金属结构的壳体，对外界电磁波起到屏蔽作用，壳体内部覆盖吸波材料。毫米波有源双极化天线中，双极化天线与毫米波变频电路之间采用一体化设计，天线与变频电路之间无同轴线缆连接，输出信号为频率小于6GHz的中频信号。毫米波有源双极化探头与被测目标采用非接触设置，具体而言，在暗室内设置有拱形架，毫米波有源双极化探头阵列排布于拱形架上以待测区域为球心的球面区域内，通过辐射的方式在待测区域内模拟出毫米波多径信道中的角度信息，同时，通过支撑装置将被测目标支撑于待测区域。每个毫米波有源双极化探头对应连接中频线缆，通过中频线缆与信道模拟器的端口连接，输出频率小于6GHz的中频信号作为输出信号与信道模拟器之间进行信号传递。
在本实施例中，基站暗室探头墙的球面区域的半径为3m，球面区域的方位角张角为120°，俯仰角张角为40°，该设置可以满足绝大多数基站的小区覆盖角度。支撑装置为金属抱杆，设置在暗室内，将被测基站支撑于球心处的待测区域。基站性能测试部分的毫米波有源双极化天线数量记为L，且该有源双极化天线只具备单一的接收或发射功能，其阵列排布如图2所示。其中，两相邻的毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔0.8°，俯仰角相隔0.5°，而两相邻的毫米波有源双极化接收(或发射)天线方位角相隔5°，俯仰角相隔5°。
终端暗室探头墙的球面区域的半径为1.5m，球面区域的方位角张角为60°，俯仰角张角为30°，其支撑装置为二维转台，设置在暗室内，将被测基站支撑于球心处的待测区域，且能够通过其方位与极化角度的旋转，调整被测终端的姿态。终端性能测试部分的毫米波有源双极化天线数量记为N，且该有源双极化天线只具备单一的接收或发射功能，其阵列排布如图3所示。其中，两相邻的毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔5°，俯仰角相隔2°，而两相邻的毫米波有源双极化接收(或发射)天线方位角相隔10°，俯仰角相隔10°。
与现有单一具备收发功能的变频模块不同，收发天线分隔排布可以不需要引入与待测基站信号保持时隙同步的触发信号，上、下行信号可以实时地通过信道模拟器传送给待测基站(或终端)设备。通常，由于待测基站在空间辐射形成的信号波束波束宽度较窄，为了保证模拟出的基站侧上、下行信道在空间分布上的互易性，基站暗室探头墙上的毫米波有源双极化收、发天线相隔不能太远。对于待测终端设备，其在空间辐射形成的信号波束波束宽度较宽，终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化收、发天线相隔则不需要与基站暗室探头墙上的天线排布保持一致。
为了评估一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统在信道构建精度与构建出的上、下行信道之间的互易性，给出一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统的评估方法。
假设待测毫米波基站(或终端)的天线排布为A＝N×M的矩形阵列，其中N表示纵向天线单元数，M表示横向天线单元数；假设对于基站(或终端)暗室，目标MIMO信道的空间角度功率谱(PAS)分布为
Figure GDA0003497252390000051
其是空间上关于俯仰角θ、方位角
Figure GDA0003497252390000052
的函数；目标MIMO信道的信道响应函数为
Figure GDA0003497252390000053
其维度为N×M。
对于待测毫米波基站(或终端)，可用巴特勒特(Bartlett)角度估计算法计算出待测毫米波基站(或终端)观察到的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000054
其与目标MIMO信道和待测毫米波基站(或终端)的天线排布有关，计算方法为：
Figure GDA0003497252390000061
其中，
Figure GDA0003497252390000062
表示阵列流矢量，其与待测设备的天线阵列排布、来波方向有关；[·]H表示向量的共轭运算。
另一方面，通过给基站暗室探头墙(或终端暗室探头墙)上的毫米波有源双极化天线赋予不同的权重系数wl(l＝1，2，...，L)，可在基站(或终端)暗室的待测区域内构建出目标MIMO信道环境。其与待测毫米波基站(或终端)的天线排布有关、毫米波有源双极化接收(或发射)天线在探头墙上的位置有关。以基站暗室为例，其计算方法为：
Figure GDA0003497252390000063
其中，
Figure GDA0003497252390000064
是与毫米波有源双极化天线位置有关的MIMO信道响应函数。
对于待测毫米波基站(或终端)设备的上行链路测试，待测毫米波基站(或终端)设备观察到的基站暗室探头墙(或终端暗室探头墙)构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000065
此时，基站暗室探头墙上的毫米波有源双极化接收天线接收来自待测毫米波基站的信号，终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化发射天线发射信号给待测毫米波终端设备。
对于待测毫米波基站(或终端)设备的下行链路测试，待测毫米波基站(或终端)设备观察到的基站暗室探头墙(或终端暗室探头墙)构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure GDA0003497252390000066
此时，终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化接收天线接收来自待测毫米波终端的信号，基站暗室探头墙上的毫米波有源双极化发射天线发射信号给待测毫米波基站设备。
给定信道构建精度δ1，基站暗室探头墙(或终端暗室探头墙)上的毫米波有源双极化发射(或接收)天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure GDA0003497252390000067
且
Figure GDA0003497252390000068
其中，||·||2表示函数的2范数。
同时，为了保证构建出上、下行信道满足互易性，给定上、下行信道互易性构建精度δ2，所述基站暗室探头墙(或终端暗室探头墙)上的所述毫米波有源双极化发射和接收天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure GDA0003497252390000071
当上述式(3)、(4)评估条件同时满足时，可认为实施例中的测试系统符合测试需求。需要指出的是，由于待测基站与待测终端的天线阵列规模不同，基站暗室探头墙与终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化天线的排布不一定相同。
另一方面，由于上、下行信号可以实时地通过信道模拟器传送给待测基站(或终端)设备，且该系统中没有引入与待测基站信号保持时隙同步的触发信号，该收发分离的毫米波性能测试系统的收/发信号之间的隔离度是通过收发天线空间上相隔一定距离保证的。在该实施例中，基站暗室探头墙上两相邻毫米波有源双极化收、发天线之间的信号隔离度的典型值为-50dB，终端暗室探头墙上两相邻毫米波有源双极化收、发天线之间的信号隔离度的典型值为-90dB。这样，用于该“端到端”毫米波通信设备性能测试系统的总的上、下行信号之间的隔离度的典型值为-140dB。具备该隔离度的测试系统可以实现从毫米波基站到毫米波终端的“端到端”测试，适用于多种毫米波应用场景。

Claims (9)

1.一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，包括基站暗室、基站暗室探头墙、信道模拟器、终端暗室和终端暗室探头墙；
所述基站暗室与所述基站暗室探头墙用来测量待测毫米波基站的性能，基站所在区域为基站暗室待测区域；
所述基站暗室探头墙放置于所述基站暗室中；所述基站暗室探头墙由多个毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收或者发射信号的能力；
在所述待测毫米波基站上行通信能力测试中，所述基站暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射天线通过空间辐射的方式，将所述信道模拟器的信号发送给所述待测毫米波基站；在所述待测毫米波基站下行通信能力测试中，所述待测毫米波基站将下行信号通过空间辐射的方式给所述基站暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化接收天线，所述毫米波有源双极化接收天线将接收到的信号传送给所述信道模拟器；
所述终端暗室与所述终端暗室探头墙用来测量待测毫米波终端的性能，终端所在区域为终端暗室待测区域；
所述终端暗室探头墙放置于所述终端暗室中；所述终端暗室探头墙由多个毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收或者发射信号的能力，即为所述毫米波有源双极化发射天线与所述毫米波有源双极化接收天线；
在所述待测毫米波终端上行通信能力测试中，所述待测毫米波终端将上行信号通过空间辐射的方式给所述终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化接收天线，所述毫米波有源双极化接收天线将接收到的信号传送给所述信道模拟器；在所述待测毫米波终端下行通信能力测试中，所述终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射天线通过空间辐射的方式，将所述信道模拟器的信号发送给所述待测毫米波终端；
所述信道模拟器用于模拟毫米波传输的空间信道参数，且所述信道模拟器有多个输入、输出端口，端口通过线缆与所述基站暗室探头墙、终端暗室探头墙上的毫米波有源双极化天线相连。
2.根据权利要求1所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，用于测试的探头天线是由毫米波有源双极化天线组成的。
3.根据权利要求2所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，该所述毫米波有源双极化天线只具备单一的接收信号或者发射信号的功能。
4.根据权利要求1所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，所述基站暗室探头墙与终端暗室探头墙由多个收发分离的毫米波有源双极化天线组成，且所述毫米波有源双极化天线分布于所述基站暗室探头墙与所述终端暗室探头墙上以所述待测区域为球心的球面区域内。
5.根据权利要求1所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，所述基站暗室探头墙上两相邻的所述毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔0.8°，俯仰角相隔0.5°，且两相邻的所述毫米波有源双极化接收或发射天线方位角相隔5°，俯仰角相隔5°。
6.根据权利要求1所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，所述终端暗室探头墙上两相邻的所述毫米波有源双极化接收和发射天线方位角相隔5°，俯仰角相隔2°，且两相邻的所述毫米波有源双极化接收或发射天线方位角相隔10°，俯仰角相隔10°。
7.一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统的评估方法，所述评估方法用于如权利要求1-6中任一项所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统，其特征在于，所述评估方法具体为：假设所述待测毫米波基站或待测毫米波终端的天线排布为A＝N×M的矩形阵列，其中N表示纵向天线单元数，M表示横向天线单元数；假设对于所述基站或终端暗室，目标MIMO信道的空间角度功率谱分布为
Figure FDA0003505051600000021
其是空间上关于俯仰角θ、方位角
Figure FDA0003505051600000022
的函数；目标MIMO信道的信道响应函数为
Figure FDA0003505051600000023
其维度为N×M；
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端，用巴特勒特角度估计算法计算出所述待测毫米波基站或待测毫米波终端观察到的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure FDA0003505051600000024
其与目标MIMO信道和所述待测毫米波基站或待测毫米波终端的天线排布有关；另一方面，通过给所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化天线赋予不同的权重系数wk，在所述基站或终端暗室的所述待测区域内构建出目标MIMO信道环境；
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备的上行链路测试，所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备观察到的所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure FDA0003505051600000025
对于所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备的下行链路测试，所述待测毫米波基站或待测毫米波终端设备观察到的所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙构建出的目标MIMO信道空间角度功率谱分布函数为
Figure FDA0003505051600000031
根据给定的信道构建精度δ1，所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射或接收天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure FDA0003505051600000032
且
Figure FDA0003505051600000033
其中，||·||2表示函数的2范数；
同时，为了保证构建出上、下行信道满足互易性，给定上、下行信道互易性构建精度δ2，所述基站暗室探头墙或终端暗室探头墙上的所述毫米波有源双极化发射和接收天线之间的空间角度排布间隔需满足：
Figure FDA0003505051600000034
当上述评估条件同时满足时，认为所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统符合测试需求。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统。
9.一种计算机设备，包括储存器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的一种收发天线分离的毫米波通信设备性能测试系统。
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