基于VDT对终端天线增益平衡性的研究

谢宁宁

（维沃移动通信有限公司，广东 东莞 523861）

0 引言

随着无线通信的发展，人类对通信速率的渴求，从低速的2G 网络到如今高速的5G 网络，各种技术都是在有限的频谱资源下获得高数据传输速率。其中，多输入多输出（MIMO,Multiple Input Multiple Output）技术为系统提供分集增益和空分复用增益，成为无线通信系统的关键技术之一。

在参考文献[1]中，已经分析了收发信机通道不平衡对分集系统性能的影响，得出信道不一致导致的信噪比不同对系统性能影响较大的结论。参考文献[2]主要研究了多天线耦合性对于系统信道容量的影响，参考文献[3]研究了在分时长期演进系统下，基站端存在不平衡时，导致的反馈预编码不匹配问题。但是，这部分研究主要集中在2007～2012 年左右，而且大部分学者的研究重点是分析基站端、传播路径上（信道衰落）的不平衡，对终端手机存在的天线不平衡研究极少。一方面是LTE 终端大规模普及主要在2015 年后，且终端天线设计保密的要求，很多相关的研究结论不适合公开；另一方面是先前的研究结论大部分都是仿真结果，并没有实际外场的结果，即使有部分外场结果精细化程度也不够。NR 终端大部分以四天线为主，随着系统工具的成熟和NR 终端手机的不断涌现，做好两个天线间增益均衡性是非常有必要的。

在实际场景中，由于竖屏（微信、抖音应用）和横屏（游戏场景）握持手机时，手会不可避免地遮挡住天线，使得手机出现两个或者四个天线的增益不平衡的现象，严重时甚至会出现其中一支天线比最好的天线差10 dB以上的情况，这种性能的急剧恶化带来的影响程度和对影响程度的量化是本文研究的重点。此外，本文对终端的性能评估用基本的指标吞吐量进行，由于NR 目前基站软件版本还不足够稳定，选用比较成熟的LTE 网络进行模拟外场的搭建，重点研究天线单元侧不平衡对终端性能的影响。

在单个使用场景，比如横屏游戏场景，我们很容易做到两支天线均衡，但同时满足横屏和竖屏这样的设计是比较棘手的。在折中设计横竖屏场景时，就需要把天线的平衡性设计到一个合理的范围，这样才可以在横屏游戏和竖屏上网场景带给消费者更优的速率体验。

1 终端系统原理分析

如图1 所示，列举2×2MIMO 终端侧不平衡单元，包括射频通路、馈线、天线单元自身的不平衡。一般地，现在终端采用上下天线架构，主辅射频通路之间的差距比较小（低于1 dB），馈线损耗跟布局和走线有关，目前可以做到主辅射频通路馈线差距1 dB 内，自由状态两个天线之间的平均增益差距可以做到3 dB 内，但是因为手持或者头的遮挡，其中一支天线可能会下降6～10 dB，这样就会出现主副天线平均增益差距大于10 dB 的现象。

图1 两天线终端侧不平衡单元

根据香农定理，信道容量公式为：

其中，I是单位矩阵，γ是接收端SINR，η是归一化功率，Nt是发射天线数，(.)H为共轭转置。

根据香农定理，信道容量与SINR 成正比关系。两个接收天线SINR 的差异会引起信道容量差异。

参考文献[4]、[5]的推导，设两个天线处于相同的环境下，当波束从某个方向入射时，天线在该方向接收的功率为Pr(θ,ψ)：

令两个天线分别为ANT0 和ANT1，则两个天线的信噪比分别为Rsn,0和Rsn,1：

若两个天线接收噪声相同，则：

从式(4)得出，在入射电磁波功率密度相同时，两个天线的信噪比跟两个天线的增益、归一化场强方向性函数强相关。

通过上述的理论分析，两个天线的增益不平衡会带来两个天线的SINR 不平衡，天线的SINR 不平衡会影响终端的信道容量，也就是影响终端的吞吐量。下一节将定量分析出终端天线增益平衡性对吞吐量的影响。

2 设计实验

为了系统地、精准地探究终端天线增益平衡性对吞吐量的影响，本文采有了比较新颖、精准的VDT（Virtual Driving Test，虚拟路测）+OTA（Virtual Driving Test+Over The Air）[6-7]技术重塑外场环境。

如图2所示，此系统包括核心网（EPC）、基站（eNode B）、信道模拟器（Channel Emulator）和暗室（Chamber）组成。该系统的优势：（1）同时支持大尺度和小尺度衰落的模拟；（2）支持双向测试、支持全面MIMO 模式；（3）丰富的场景模型，包含3GPP 典型模型、VDT 外场模型；（4）可定制化测试用例；（5）精度高、可控性高、可重复等。

图2 VDT+OTA测试系统

研究终端选择两天线终端，外场环境选择弱场RSRP 为-112 dBm，主要研究了TM（Transmission Mode，传输模式）2 和TM3 两种模式。TM2 可以多发，有分集增益。TM3 与TM2 比，TM3 网络根据终端上报RI（Rank Indication）获得终端信息来选择是采用、大循环延迟分集方案还是发射分集。简单的说TM2 是分集模式，TM3 有MIMO 和分集两种模式。

在定量研究前，我们先进行外场环境的复现，VDT环境映射外场最重要的参考指标就是终端的RSPR、SINR、MCS（Modulation and Coding Scheme）、CQI（Channel Quality Indication）和双流比等参数。

2.1 测试系统搭建

如图3 所示，所构建的VDT 测试系统：被测终端置于屏蔽箱内，屏蔽实验室其他无关信号的干扰；终端通过同轴线连接到信道模拟器端，通过电脑端操作信道模拟器，在操作界面上可以单独控制上下行路损和噪声（干扰）；信道模拟器通过同轴线连接基站（LTE RRU），此RRU配套核心网。信道模拟器中内置该场景信道文件，根据终端Logs 中的RSRP/SINR/MCS 等数据模拟服务小区信号的衰落特征重现外场。实验中信道模拟器噪声模块保持噪声不变，天线方向图导入到信道模拟器里，并保持天线方向性都不变，通过保持主集通路不变调整分集通路路损来实现降低分集增益，从而完成天线增益差调整。

图3 构建的VDT测试系统

2.2 天线增益与RSRP和SINR变化趋势

在实验前，本文先验证天线增益变化对应的RSRP和SINR 的变化。RSRP0 和SINR0 指终端主集天线ANT0 上检测到的RSRP 和SINR；RSRP1 和SINR1 指终端分集天线ANT1 上检测到的RSRP 和SINR。初始两个天线的增益相同，天线增益平衡性用天线增益差ΔAG（Antenna Gain）表征，ΔAG 定义为主天线增益减去副天线增益，RSRP 差ΔRSRP 定义为RSRP0 减去RSPP1，SINR 差ΔSINR 定义为SINR0 减去SINR1。如表1 所示，ΔSINR 和ΔRSRP 随ΔAG 减少而不断减少，与式(4)对应。

表1 ΔAG与RSRP和SINR变化趋势

2.3 VDT环境与外场对应

实验室复现外场：RSRP 平均值为-112.7 dBm，SINR 平均值为7.6 dB。同时基站配置TM2 传输模式，因此为分集模式。如表2 所示：

表2 TM2外场与VDT环境对比分析

实验室复现外场：RSRP 平均值为-112.5 dBm，SINR 平均值为7.3 dB。基站配置TM3 传输模式，双流占比76%，主要为MIMO 模式，如表3 所示：

表3 TM3外场环境与VDT环境对比分析

3 实验结果

3.1 TM2和TM3模式下吞吐量随天线增益平衡性变化趋势

实验室VDT 环境，RSRP=-112 dBm 和SINR=7 dB的终端测试结果分析如下：

（1）如图4 所示，不论分集还是MIMO 模式，随着天线增益差ΔAG 变大，吞吐量不断下降，与第1 节终端系统原理分析相对应。

（2）如图5 所示，随ΔAG 变大吞吐量下降比例MIMO 模式（TM3）相比分集模式（TM2）更大。由此可见，在SINR=7 dB 比较好的环境时，MIMO 模式下更需要把天线平衡性做好。

（3）如图6 所示，随ΔAG 变大，TM3 模式下双流占比不断降低；当ΔAG=9 dB 时，双流比接近为0。由此可见，MIMO 模式下天线增益平衡性差到一定程度双流比接近为0，就等同分集模式。在终端设计天线时，考虑到MIMO 场景应用的广泛性和体验上更佳等，在横屏和竖屏等场景需要管控ΔAG 到一定范围。

图4 TM2和TM3模式下吞吐量随ΔAG变化趋势

图5 TM2和TM3模式下吞吐量随ΔAG下降比例

图6 TM3下双流比随ΔAG下降比例

3.2 TM3模式下不同RSRP和SINR起始时吞吐量随天线增益平衡性变化趋势

保持噪声不变，调整起始RSRP0 分别为-110 dBm、-112 dBm、-114 dBm 和SINR0 分别为8.2 dB、7.3 dB、5.8 dB 时，在TM3 传输下不同RSRP0 和SINR0 起始时终端吞吐量随天线平衡性变化趋势，分析得出：

（1）如图7 所示，随着天线增益差ΔAG 变差，吞吐量也在不断下降。

图7 不同RSRP0和SINR0起始时吞吐量随ΔAG变化趋势

（2）如图8 所示，随ΔAG 变大吞吐量下降比例RSRP0=-114 dBm 相比RSRP0=-110 dBm 更大；随ΔAG变大吞吐量下降比例SINR0=5.8 dB 相比SINR0=8.2 dB更大。由此可见，在相对弱场环境下更需要把天线平衡性做好。

图8 不同RSRP0和SINR0起始时吞吐量随ΔAG下降比例

（3）如图9 所示，随ΔAG 变大双流占比不断降低；当ΔAG=9 dB 时，RSRP0=-114 dBm 和-112 dBm 起始时双流占比接近为0；当ΔAG=10 dB 时RSRP0=-110 dBm起始双流占比接近为0。由此可见，MIMO 模式下天线增益平衡性差到一定程度双流比接近为0，只有单流。

图9 不同RSRP0和SINR0起始时双流比随ΔAG下降比例

3.3 TM3模式下不同干扰下吞吐量随天线增益平衡性变化趋势

在TM3 传输下，保持主集RSRP0=-112 dBm 不变，调整噪声系数实现SINR0 分别为7 dB 和0.7 dB。如图10 所示，SINR0=0.7 dB 实现强干扰场景，双流比较低，接近分集模式，终端吞吐量随天线增益平衡性变化趋势，分析得出如下结论。

图10 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB双流比随ΔAG下降比例

（1）如图11 所示，随着天线增益差ΔAG 变差，吞吐量也在不断下降，与上文结论一致。

图11 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB吞吐量随ΔAG变化趋势

（2）如图12 所示，随ΔAG 变大吞吐量下降比例SINR0=0.7 dB 相比SINR0=7 dB 更大，与图8 的结论吻合。由此可见，在强干扰环境下更需要把天线平衡性做好。

图12 SINR0=7 dB和SINR0=0.7 dB吞吐量随ΔAG下降比例

综上，第3.1 节对终端MIMO 和分集模式下天线增益平衡性对吞吐量的影响进行了论证；第3.2 节对不同弱场进行了论证；第3.3 节对不同干扰场景进行了论证。总之，不论是MIMO 模式还是分集模式，不论是弱场还是强干扰场景，吞吐量都会随着平衡性变差而降低。为了更好的用户体验，终端厂家需要保证最强的单天线性能不变的情况下，做好第二支天线。

4 结束语

本文基于VDT 技术重现外场，并在实验室研究了终端天线增益平衡性对吞吐量的影响，得出了MIMO 复用模式相比分集模式下天线平衡性对吞吐量的影响更大些，基于TM3 传输模式分析双流比随着ΔAG 变化趋势，得出随ΔAG 变大，TM3 模式下双流占比不断降低，当ΔAG 差到一定程度，双流比接近为0，只有单流。同时基于TM3 对不同RSRP0 和SINR0 下，研究了吞吐量随终端天线增益平衡性的变化趋势，得出了在相对弱场和强干扰场景下更应该做好天线增益平衡性。这些研究结论对于终端天线平衡性设计有很好的指导意义。