支援頻段數激增　MIMO天線測試挑戰加劇

MIMO天線設計外觀/收訊難兩全

手機剛問世時，天線是非常顯而易見的配件。早期的手機通常使用900MHz頻段，並配備摺疊式或抽拉式天線，以滿足消費者對美觀與造型的要求。天線的長度則是根據運作頻率來決定。隨著時間的演進，抽拉式天線已被小型螺旋式設計所取代。到了1994年，業界推出第一支整合式片狀(Patch)天線，這類天線旋即於1998年成為普及化商品。在短短幾年內，天線就從傳統的外露式造型轉變為隱藏式設計。

對於工業設計者來說，將天線整合並隱藏起來絕對是個好消息，現在他們終於擺脫了這個累贅，而能夠恣意地設計各種時尚又新潮的手機造型，這真是一大進步。然而，就天線設計與效能的觀點而言，事實恰恰相反。無庸置疑地，這場工業設計與天線性能的戰爭，時尚潮流永遠占了上風。

早在2001年業界就已經著手制訂單一輸入單一輸出(SISO)的OTA標準，但MIMO的OTA標準卻始終無人聞問。

事實上，影響MIMO天線效能的因素遠比SISO更為複雜，而且天線設計者承受了更巨大的壓力。首先，須面對天線從外露轉為隱藏設計，以及從單埠到多埠的轉變。這樣的演變，使得原本提供給一支優異天線使用的空間，被分割成給兩支不良天線使用的空間，而且後者很可能未經任何標準測試程序來驗證效能。

此外，隨著天線須支援的頻段數激增，現在六頻天線已相當普及，因而帶來更多的挑戰。由於每個頻段對於天線之最佳接收與發射特性的要求各不相同，導致某些頻段必須使用獨立的天線。

雖然手機才是真正的主角，但天線的問題也不容小覷，特別是現在必須支援無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、全球衛星定位系統(GPS)、調頻(FM)收音機、數位視訊廣播(DVB)等種種標準與協定。接下來，在開始探討MIMO OTA測試挑戰之前，必須先對SISO有初步的認識。

輻射測試日益嚴苛

過去，業界多半使用傳導方式來測試手機，也就是將纜線連接到所謂的臨時天線接頭，如此可跳過待測物(DUT)的天線來直接測試收發器。業者之所以採用這種測試方式，是因為他們假設可用0dB增益的等向天線來代表DUT天線。早期的天線是被調諧到特定單一頻段的偶極元件，因此業者的假設很合理。

然而，隨著多頻段整合式天線的出現，0dB增益的假設開始站不住腳。在這種情況下，傳導式測試的種種問題逐一浮現，例如參考靈敏度與最大輸出功率已經無法反映用於真實網路之元件的輻射效能。

另一方面，雜散發射的電磁相容性(EMC)測試是最早為了電信法規目的而執行的輻射測試，最近則又加入助聽器的相容測試，以及特定吸收率(SAR)的安全測試，最後一項測試可評量人工模擬的頭部模型會吸收多少的DUT輻射功率。然而，這些測試無法評量DUT的無線通訊效能如何。

為此，美國行動通訊及網路協會(CTIA)於2001年公布了行動裝置無線通訊效能測試計畫(Test Plan for Mobile Station Over the Air Performance)，而第三代合作夥伴計畫(3GPP)則自2006年開始公布25.914技術報告(TR)、25.144技術規範(TS)，最後在2008年公布TS 34.114相關測試規範。

不確定性充斥　SISO OTA測試繁雜

SISO OTA的概念很簡單，其中包含整體輻射功率(TRP)、可評估DUT發射器之效能指數(FOM)及整體參考靈敏度(TRS)，負責評量DUT接收器的效能指數。

CTIA則使用整體等向靈敏度(TIS)一詞來稱呼TRS。TRP值是在整個輻射範圍中不同方向之發射功率的總合，而TRS值則是DUT接收器的參考靈敏度。當這兩項效能指數確立後，SISO便集中全力制訂測試方法、測試系統的不確定性及效能規格。

業界最初使用電波暗室來開發測試方法。CTIA與歐洲的COST273計畫針對量測不確定性進行大量的理論分析，總計推導出超過二十項參數誤差模型，最後計算所得的整體測試系統不確定性落在±2dB範圍內。接著，全球將近五十個CTIA認證實驗室以黃金樣品(Golden Radio)來驗證這項係數。此外，CTIA已開發出使用電波迴響室的替代測試方式，測試結果顯示類似的不確定性位準。

表1簡要列出TS 34.114針對DUT規範之最低UTRA(WCDMA)測試規格。表中所列的數據是放寬TS 25.144規範之測試容忍度所得的最低測試規格，亦即測試系統所容許之最大不確定性。3GPP通常會放寬整個測試系統的不確定性以降低最低測試規格，但是因為OTA的測試不確定性相當高(TRP為±1.9dB、TRS為±2.3dB)，其放寬值被限制在測試系統最大容許不確定性的一半左右，以避免最低測試規格變得太寬鬆，導致不良品也可以通過測試。然而，這樣也同時會稍微提高良品無法通過測試的風險。

為了提升使用者的行動通訊體驗並改善網路品質，業界另外定義一個非強制性的建議測試指標。

表1所列出的數據並無法反映實際測試的完整細節。首先，TRP與TRS都是全範圍的量測平均值，其中方位角φ與仰角θ的刻度於TRP測試時以15度為單位步進，在TRS測試時，則以30度步進。在每個測試點中，對於DUT支援之所有頻段的低、中、高頻道，以及兩個正交的射頻極化方向如垂直與水平都會進行量測。DUT必須先以主要的機構模式進行測試，例如打開手機滑蓋或折疊式上蓋來進行測試。最低測試規格並未要求執行其他的機構測試，不過部分電信業者會要求所有的模式都要逐一測試。

最後一項測試考量為實際環境的因素。實驗室機構通常在開放空間或特定人體模型(亦即所謂的SAM)的頭部左邊和右邊進行測試。這些頭部模型會填入不同的液體，以模擬人類頭部對於不同頻率所產生的射頻負載效應。為了確保測試業者可以在不同實驗室中複製相同的測試，CTIA測試計畫提供如何在測試環境放置DUT的詳細指導說明。

最新的CTIA測試計畫並加入了可根據直立式、折疊式、窄頻資料與PDA等不同款式的行動裝置，來擺放四種不同手勢的手部模型。手部模型可單獨手握「數據」手機來進行測試，也可與頭部模型一同搭配測試。比起單獨使用頭部模型進行測試，這種方式可更逼真地模擬實際通話姿勢。手部測試目前仍僅局限於右手，但是為了讓手機與手部的互動更對稱，將來也可能加入左手測試。

從以上對SISO OTA測試的簡要概述，不難看出要確實量測多頻段手機的特性有多困難，整個測試過程可能需在昂貴的電波暗室中，花費兩星期以上的時間，進行數千次的反覆量測。

廠商各有盤算　測試規格共識難

在制訂產業標準時，一般的測試流程是模擬指定的效能參數，以作為產品設計者的開發指標。由於OTA效能測試規格具有極高的回溯性，因此模擬測試並不可行。

圖1　GSM 1800商用機種的TRP與TRS(3GPP Tdoc R4-091762, Orange1)

請注意，TRS的效能變異幅度約為7dB，而TRP則大約為4.5dB。如果再加上頭部與手部負載，圖中由各個點所代表的係數會更加分散。這個測試案例中使用的所有手機均通過傳導測試，結果顯示各個點的分布區域相當窄，因此可以合理推斷所增加的變異量是來自先前未經測試的天線。

電信業者無不希望挑選高TRP、低TRS的行動裝置，以強化其網路傳輸效果。藉由發展標準的OTA測試流程，相較於現場量測方式，電信業者有史以來第一次可以透過確定且可重複的測試方式來選擇最佳的手機，因而大幅改善消費者對通訊品質的觀感。在進行傳導測試時，只要0.1dB的差異就可以搞得人仰馬翻；但輻射測試的效能變異卻高達數個dB。難怪最近發布的OTA標準測試流程是如此重要而且備受期待。

想當然爾，短時間內業界不可能對3GPP最低測試規格產生共識。電信業者當然希望設定更高的量測指標，可是手機供應商卻極力想保護他們已經銷售的產品、避免現有的設計被歸類為不相容，並藉由縮小新一代手機的尺寸來維持手機設計的利潤，最後雙方只好協議出妥協的結果，以平均與最低效能為商定的效能指數。如此一來，大部分的傳統通訊設備依然能維持與無線標準的相容性。電信業者則接受更嚴格但非強制性的「建議」平均效能(通常高出3dB)，以作為業界努力的目標。

儘管如此，所建議的TRP效能還是比傳導式測試的額定功率大約低了6dB，這表示其效能還有相當大的改進空間。不過，在行動裝置體積不斷變小的壓力之下，要進一步改進效能相當困難。直到現在，業界都尚未達成GSM OTA規格所設定的效能指數，而許多CTIA測試規格也都還沒制訂。

相較SISO MIMO更形複雜

幾年前CTIA、3GPP及歐洲的COST2100計畫便已開始制訂MIMO OTA標準，並完成COST273。SISO OTA的概念很簡單，只有基於現有傳導式量測技術所衍生的一種主要測試方法及兩項效能指數，以提供過去欠缺的天線效能洞察力。由於SISO的量測缺乏頭部與手部模型，因此所測得的數值與實際無線通訊環境中的狀況是兩回事。

MIMO OTA的情況則很不一樣，這項標準希望藉由量測實際狀況下的端對端資料傳輸速率，來直接評量經驗品質(QoE)。MIMO技術充分利用無線通道的空間分集，因此所測得的效能與DUT之無線電波傳播、雜訊及干擾狀況有密切的關係。

此外，端對端系統的閉合迴路行為模式，亦即DUT如何量測無線電環境與基地台排程器後續行為間的即時互動，也會影響其效能。基地台排程器可能會決定以每秒一千次的頻率重新配置下行鏈路的參數。

TR 37.976報告中簡述3GPP推動的MIMO OTA標準化進展，文件中記錄正式標準化之前的研究階段進程，並深入討論在無線空間中建立多樣性訊號的方法。此外，文件中針對七份不同的提案，列出一張涵蓋二十五項標準的對照表，不過大部分的目標數據都還在協商中。傳輸速率是主要的效能指數，但是其他六項指標也正在評估中。

測試MIMO OTA　方法歸類三種

MIMO OTA測試方法基本上可分為電波暗室測試(具備或不具備外部的通道衰減)、電波迴響室測試(使用二至三十二組天線)及多級式測試(Multi-stage)等三類。

有兩種測試方法被歸類為多級式，第一種方法較為簡單，它採用天線場型量測技術2，進而發展出不同的效能指數，例如關聯性與增益不平衡，因此可計算天線對於理論傳輸速率的影響。

然而，這個方法僅量測DUT的一部分，而未量測端對端傳輸速率，因此無法得知自體阻檔(靈敏度降低)等次要因素可能產生的影響。相較之下，SISO OTA測試則相當重視敏感度降低的現象。如欲精確量測未經變更之手機的天線場型，業界須制訂一種非侵入式量測方法。CTIA已經發展出可記錄GPS裝置之場型資訊的標準格式，但是目前仍只能使用專為特定裝置發展之專屬技術來量測天線場型。

從測試觀點來看，將非侵入式行動裝置測試模式標準化，以便使用與SISO OTA相同的電波暗室測試方法來量測天線的相對增益與相位，才是真正理想的手機測試解決方案。這個測試方法非常實用，不過還需要一段時間的發展。

另一種多級式測試又稱為兩級式測試法3,4。第一級測試與剛剛描述的幅射天線場型量測相同，但是不須要計算效能指數及傳輸速率的理論值。第二級測試則為傳導式測試，其使用通道模擬器，將測得的天線場型與任何指定的無線電傳播環境結合在一起。接著，這兩種輸出訊號被注入用於傳導式測試的標準臨時天線埠中，並使用包含經由天線場型調整過之衰減通道的訊號來量測傳輸速率。

兩級式測試方法的好處是，可再利用目前使用於天線量測的簡易SISO電波暗室，而且只要使用一個雙埠通道模擬器，便能模擬任意的複雜空間通道狀況，而毋須使用大型的電波暗室與多重探測天線。簡單介紹這些建議採用的測試方法後，接下來探討主要的效能指數，即MIMO傳輸速率。

MIMO效能增益理論與實際有落差

SISO OTA測試規格的制訂有相當高的回溯性，業界比較沒有什麼預設的期待。然而，MIMO要證明其存在的價值，就必須展現比SISO更出色的優勢。圖2顯示在五種不同的發射(α)與接收(β)天線關聯性組合下，頻譜效率與SNR之間的關係，並呈現理論的空間多工增益，如何隨著SNR而變化。在1.7GHz以上的高頻段比較容易達到低天線關聯性。

圖2　第二級空間多工的Shannon-bound頻譜效率，以天線關聯性與SNR的函數來呈現 。

實際上，端對端關聯性會隨著無線通道的附加影響而持續變化，這點在Spirent的論文中有更深入的討論。在一個通道頻寬中，關聯性可能會有極大的變異。因此，想要從系統中得到最佳的MIMO增益，則須進行選擇性的頻率排程，以鎖定通道的最佳部分。這也是正交分頻多工(OFDM)系統可以做到，而分碼多重存取(CDMA)系統卻難以達成的功能。

在討論MIMO的效能時，經常會強調它具備可能百分之百優於SISO的空間多工增益，但卻未說明只有在高SNR、低關聯性的狀態下才能獲致這項優勢。

然而，在實際的負載網路中，SNR的中間值在5dB附近。結合這個SNR中間值與一個實際的相關值(包含所有天線與通道的影響)，便可得出可實現的增益只比SISO高出約20%，而非100%。這個差異使得MIMO效能測試變得很困難。

測試效力有待商榷

執行效能測試的目的是為了區分效能的優劣。如果在實際狀況中理論增益值是有限的，那麼就須要稍微調低可接受的效能係數。困難之處在於要如何設計一套可區分SISO效能與受限的MIMO增益間的差異的測試方式。眾所周知地，SISO OTA的增益可控制在±2dB內，而更為複雜的MIMO環境當然更不可能達成更精準的增益。如果考量環境中對於理論的傳輸速率可能產生的4dB影響，就會明白想要量測的微小增益有多麼難以測得。

要校驗多重探測環境確實是一項重大的挑戰，如果無法掌握影響不確定性的因素，將會低估它們可能帶來的衝擊。舉例而言，有五家溫度計製造商預估他們的產品提供1度以內的準確度，但是這些溫度計用於相同的環境中，所呈現的讀值卻相差5度，這其中一定有問題，只是目前還沒有相關理論可說明其原因。

正因如此，CTIA黃金樣品驗證的運用對於OTA量測的新規範至關重要。可以合理的假設3GPP將在MIMO OTA最低測試規格中放寬一定比例的量測不確定性。從本文提出的量測數值來看，不難發現以SISO模式運作的DUT，一定可以通過MIMO測試規格，這全盤否定了測試的效力與作用。

藉由在如高SNR與低通道關聯性之更極端的狀況下進行測試，以獲得最大的預期增益，有助於減輕這個問題的嚴重性，但是這並不保證在理想環境中所測得的結果，會符合實際生活的狀況。試想以下這個比喻：如果想要試著區分出兩個光學特性辨識系統的解調變準確度，會用大型、高對比、無相關特性的WOXI，或是小型、低對比、具相關特性的OCQD呢？如果解調變的標的物很簡單，高效能的區分器就不實用。如果要量測準確度，MIMO傳輸速率增益就不適合當作效能指數，替代方案是改以關聯性或增益不平衡等只涉及天線的指標來當作效能指數。不過，必須將這種方式與替代方案的時效性、成本等加以比較並做出取捨。

此外，為了要分辨效能指數與測試方式是否有用，可定義兩個參考DUT，其中一個為已知且具備公認的優異效能，而另一個則具有經過設計的缺陷，例如刻意的增益不平衡或高度關聯性天線場型。而所選擇的效能指數與適用的測試方法，應該要能夠重複而準確地區分出優異或是有缺陷的DUT。

除此之外，須定義一種以上的缺陷，因為許多DUT的功能會在閉合迴路MIMO系統中影響效能，例如通道狀態資訊回報的時機與準確性。

目前仍以開放迴路測試為主

很多人可能以為傳導式接收器測試也支援開放與閉合迴路的比較，但是為了簡化測試流程，這些測試主要都是開放迴路測試，也就是不受無線環境影響的固定通道編碼。然而，任何最佳化系統都須依賴網路中的非特定排程演算法，如果希望測試結果符合現實狀況，則須進行封閉迴路測試，前提是必須精確地定義網路演算法的行為，這樣測試設備的差異才不會影響到所量測的DUT效能。隨著無線介面變得越來越複雜，在一般已經習慣的簡化式開放迴路測試，與實際的封閉迴路效能之間的差距，將會持續擴大。

以長程演進計畫(LTE)為例，LTE支援七種不同的下行鏈路傳輸模式，從SISO與六種類型的MIMO發射多樣性與波束控制，到完整的預編碼空間多工等均包含在內。每種模式都是為了在特定網路狀況提供最佳系統效能而設計。當無線環境變化時，最佳化測試系統必須能夠即時配置DUT，以便用最佳方式量測通道，然後根據量測結果來選擇正確的傳輸模式與後續的編碼增益和等級。

另一個須要深入探討的議題是雜訊的定義。有些測試方案並未納入雜訊因素，以便突顯靈敏度降低的問題，而其他的測試方案則會在運作中網路的實際雜訊位準下進行測試。但雜訊到底是什麼？網路中很容易產生均勻高斯白雜訊(Uniform Gaussian White Noise)，其產生與CDMA系統的測試有關，不過隨頻率改變的排程並無法重現OFDM系統的實際狀況。真實的用戶設備實際上會面臨來自於訊號不同方向的各種統計上的窄頻跳頻干擾。如果測試環境只使用空間中的單一干擾，對於測試低關聯性的良好DUT完全沒有幫助，因為這是不切實際的。

共識難凝聚　未來路迢迢

MIMO OTA標準的測試目標是確實量測實際的終端用戶效能，這個任務極富挑戰性，但其用心值得稱許。接下來業界須決定測試系統要具備何種等級的複雜度，才能區分出良好與不良的MIMO DUT。SISO OTA標準的優點是，它幾乎可量測地球上所有的DUT。但是，MIMO OTA標準卻因欠缺現成可用的多樣化MIMO行動裝置，使其發展進度嚴重受到限制。業界都同意測試方法不能太過複雜，費時或昂貴，但是從目前的標準提案來看，很顯然業界對於在特定情況下應該使用哪一種參考效能以及相關的準確度和測試方法，都尚未達成共識，前方的道路仍相當漫長。

(本文作者任職於安捷倫)