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TD-SCDMA智能天线的自动化测试

2010年03月17日15:33:17 本网站 我要评论(2)字号:T | T | T
关键字:应用 通信 

作者:陈健 贺鹏 秦岩

  摘要:本文介绍了一种验证TD-SCDMA智能天线性能的自动化测试方法及实现。在多天线环境下,每天线经历的衰落不一定相同,思博伦SR5500M可以模拟每天线独立或相关的无线信道衰落,从而在实验室模拟外场环境进行测试。我们采用本文的自动化测试方法,给实验室测试带来了极大的方便和效率。

  引言

  智能天线(或beamforming)可以通过将’beam’对准特定的用户,显著的提高用户接收信噪比和降低对其他用户的干扰,从而增加系统容量。

  TD-SCDMA很大程度上是功率受限系统,同时是一个自干扰系统,又由于TDD系统的天然上下行信道对称性,所以从TD-SCDMA设计之初就开始了对智能天线的实际部署研究。智能天线在TD-SCDMA中开始应用并走向成熟。在后续演进中,TD-SCDMA将向TD-LTE演进,LTE更大程度上引入了带宽受限,所以智能天线/MIMO自适应技术是TDD多天线技术的方向。

  任何一项产品特性都需要大量的实验室测试。实验室测试不仅大大节省了成本,加快了产品推出周期,而且比现场测试更易构造各种测试环境可重复性的进行测试,从而提高产品质量。

  自动化测试简化测试操作,自动完成设备配置、重复执行、结果记录/分析/报告输出等步骤,大大提高测试效率,进一步加快产品推出周期,扩大了测试的覆盖范围。

  通常,测试设备都提供通用的接口,如GPIB,Ethernet等,供软件编程调用。我们在实际应用中,通过对SR5500M的自动化控制完成智能天线的各种测试。进一步,我们将对基站和手机(或其他终端设备)完成自动化控制,届时,智能天线测试将具有更高的性能和更多的特性。

  1 智能天线在TD-SCDMA的应用

  TD-SCDMA作为TDD系统,上下行信道完全对称,所以通过对上行信号的信道估计即可得到下行信号的权值(权矢量),从而达到波束赋形(Beamforming),无需冗余信号设计或资源占用。

  TD-SCDMA基站为8天线单元平板天线,天线单元间距为λ/2,低间距意味着天线间信号的高相关性,通常可以假定相关性均为1,即所有天线经历相同的信道瞬时衰落,天线间信道的差别即为依赖于方向的相位差。通过在不同天线单元自适应调整相位偏移作为各天线单元的权值以控制(steer)天线波束,从而对准相应的用户,提高增益,同时降低对其他用户的干扰。

  但TD-SCDMA并不局限于高相关性天线配置,比如为了减少天线面积和重量,近年开发了双极化天线,相当于两个完全不相关的4天线单元阵。此时除了天线单元间的相位偏移外,两个天线阵之间的瞬时衰落不一定相同,因此,需要根据天线单元的信道估计(H)来获得幅度和相位均不相同的复矢量作为各天线单元的权值。从而完成自适应beamforming。

  这两种情况的算法设计并不是矛盾的,低相关配置包含了高相关配置的算法,TD-SCDMA的基站实现均根据每天线信道估计得到总的权矢量,因此不管是天线间相关性高或者低,均可直接使用。

  在上行方向,基站作为接收机,主要是利用了多天线分集功能,通过最大信噪比合并(MRC)算法获得分集增益。

  需要指出的是,不同的天线相关性会影响智能天线性能。这方面的讨论超出了本文的范畴,请参考相关论文。

  2 思博伦SR5500M-智能天线测试

  思博伦SR5500M在2007年底推出之时就考虑到TD-SCDMA智能天线的商用测试,即模块化设计。如图1所示,4台SR5500M既可以供不同地点的不同团队测试,比如测试单天线性能等,也可以组合成系统,供同一地点的多个团队测试单天线性能,或供同一团队测试8天线性能,极大的提高了设备利用率:


图1 思博伦SR5500M

  本文讨论8天线测试情况。SR5500M系统既可以测试下行beamforming,如图2a所示,也可以测试上行分集接收,如图2b所示。需要指出的是,下行测试时需要基站工作在测试模式:可以人为指定beamforming的方向。


图2 单个SR5500M既可以配置成MIMO mode,也可以配置成普通mode

  在正式测试开始前,对SR5500M的各通道进行相位校准,以确保各通道初始相位一致。

3 自动化测试环境

  SR5500M提供了RPI接口(Remote Programming Interface)供外部程序控制SR5500M。如图3所示,SR5500 Testkit软件所在电脑通过TCP/IP与1台至4台SR5500M连接,控制电脑亦通过TCP/IP与SR5500M连接(通常, 可以用一个Switch连接所有设备);控制电脑和SR5500 Testkit软件所在电脑合并为一台电脑。


图3 RPI工作连接图

  控制电脑上的外部程序先发送命令给SR5500 Testkit, SR5500 Testkit将命令转发给各台SR5500M。这样,所以SR5500 Testkit上的操作均可由外部程序完成,并且通过外部程序完成各种用户定制的复杂的控制或查询。使用通用的脚本编辑软件即可编辑相应的程序,如Tcl,Perl等脚本编辑软件。

  4 自动化测试的实现

  我们选取智能天线的2个上行测试用例为例描述自动化测试的实现。

  1) 多天线解调测试(静态测试):在不同的来波角度(DOA)下测试接收性能。各条径存在一定的角度扩展,各条径分别来自不同的角度。验证在该传播环境下接收机的解调性能。传播环境如表1-表3所示。

  2) 动态DOA测试(动态测试):在不同的传播环境下,模拟随时间改变的来波角度,各条径的角度相同 。验证接收机判断来波角度的准确性,以及接收机的解调性能。传播环境如表1-表3所示(但各径角度差为0)。

  4.1 自动化测试可视化软件

  完全控制一台到多台SR5500M,对于所有测试步骤(如DOA的角度调整,缺省参数的配置等),均自动化进行测试,不需要用户的手动干预

  通过图形用户界面(GUI)使用户非常容易的设置参数,提供自动化测试的设置接口,进行自动化测试

  软件通过IP与SR5500 Testkit连接,可以进行远程自动化测试

  软件用Tcl编写,通用性和可移植性强


软件主界面如图4.1所示

  4.2 自动化测试过程

  如图4.2.1所示,设置IP地址和端口是为与SR5500 Testkit通信,然后就可以选择信道模型、测试频点、输入输出功率,选择静态或动态。如果是静态,则只有角度初始值生效,如果是动态,则按照角度步进值和角度终止值自动执行,为了测试稳定性和记录的方便,软件还提供了每个测试点时长和等待记录结果的时长:


图4.2.1 测试软件

  设置完成后,点击运行按钮,即可看到执行窗口界面,如图4.2.2所示:


图4.2.2 开始测试

  测试运行过程中,可以从该窗口观察测试实时状态,如图4.3.3所示。同时在基站端观察并记录测试结果。


图4.3.3 测试实时状态

  5 小结

  本文介绍了一种通过SR5500的RPI接口,非常方便的用脚本语言编写程序完成自动化测试的方法。自动化测试大大节省了人力,加快了测试进度,将测试工程师从繁琐的智能天线设置工作解放到更多的分析工作上去。我们将进一步努力以改进和提高TD-SCDMA智能天线商用部署前测试。

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