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Mesures OTA-MIMO conomiques sur terminaux LTELes terminaux mobiles dun haut niveau de qualit doivent prsenter un diagramme de rayonnement

uniforme et tre vrifis par la mesure Over-the-Air Performance (OTA). Cet ensemble de mesures constitue

un lment essentiel des tests de certification et doit tre tendu aux modes de fonctionnement MIMO.

La mthode de test deux voies de Rohde&Schwarz permet de les raliser de faon conomique et

reproductible.

Les mesures OTA MIMO requirent de nouvelles mthodes de testA lheure actuelle, des tests de performances OTA pour termi-naux en mode Single-Input Single-Output (SISO) sont stan-dardiss pour 2G, 3G et WLAN. Ces tests fournissent des informations importantes permettant dvaluer le comporte-ment des terminaux mobiles dans les rseaux sans fil. Dans un environnement faible rflexion, aussi bien la puissance transmise que la sensibilit de rception sont ici mesures en trois dimensions, mesures partir desquelles on obtient la TRP (Total Radiated Power) et la TIS (Total Isotropic Sensitivity) telles quelles sont spcifies par la CTIA dans [1] et de faon similaire par le 3GPP dans [2].

La technologie MIMO (Multiple Input Multiple Output) a t introduite pour augmenter le dbit de rseau concernant tout particulirement les applications de donnes. En utilisant le multiplexage spatial, la capacit de canal du spectre de fr-quence occup peut tre augmente. Ces nouvelles tech-niques de transmission saccompagnent galement de nou-velles exigences en matire de mesure.

Pour le mode 22 MIMO comportant deux flux de donnes en liaison descendante, lquipement utilisateur (UE User Equipment) requiert deux antennes de rception dont la cor-rlation doit tre aussi faible que possible pour pouvoir assu-rer une bonne sparation des deux flux de donnes reus simultanment. Pour apprcier la performance des deux antennes, il ne suffit pas de dterminer sparment les dia-grammes de chaque antenne de rception mais les tests de performance OTA pour terminaux MIMO doivent galement examiner les mthodes de transmission suivantes : Diversit de transmission avec des copies redondantes dun flux de donnes, pour augmenter la porte

Multiplexage spatial avec plusieurs flux de donnes, pour augmenter le dbit

Les modems LTE sont gnralement utiliss lintrieur des btiments. Pour vrifier la rception trajets multiples du

modem en provenance de toutes les directions de rception, une analyse 3D complte doit tre ralise. Une mesure tridi-mensionnelle fournit des conditions dessais ralistes, telles quelles se prsentent dans la pratique.

Mesures OTA-MIMO conomiques avec la mthode deux voiesLa mthode de test deux voies de Rohde&Schwarz [3] est une mthode simple et peu coteuse permettant de vri-fier les caractristiques OTA de terminaux MIMO. LUE est ici positionn proximit de deux antennes de test rotatives polarisation croise qui mettent diffrents signaux pour la liaison descendante MIMO. Des mesures rptes dans diff-rentes constellations et polarisations donnent un aperu com-plet des caractristiques dantennes de lUE.

Pour les normes 2G et 3G, des mesures SISO OTA sont impo-ses. Idalement, la chambre dessais peut tre utilise pour des mesures SISO et MIMO sans apport de modifications. Les systmes de test SISO OTA existants peuvent en gnral tre facilement tendus pour fonctionner galement en mode MIMO et ce, moindres frais.

Le systme de test de performance OTA R&STS8991 gre la mthode de test deux voies pour MIMO OTA (fig.1). La chambre de mesure OTA contient une antenne de commu-nication pour la liaison montante (ANT UL) et deux position-neurs, ces derniers pouvant placer les deux antennes de test ANT DL1 et ANT DL2 dans nimporte quelle position lune par rapport lautre. A lextrieur de la chambre de mesure, le testeur de radio communication large bande R&SCMW500 agit comme un simulateur de station de base alors que la plate-forme ouverte de commande et de commutation R&SOSP130 fait office de matrice de commutation.

Avec la mthode de test deux voies, il est galement pos-sible de tester la performance des antennes intelligentes, les-quelles adaptent de manire dynamique leur caractristique

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Mesures MIMO-OTA

CMW500

ANT UL

ANT DL1

ANT DL2

Posit

ionn

eur

2

12

OSP130

Posit

ionn

eur

1

Embase de raccordement

DL1

DL1

DL2

DL2

UL

Rsultats des mesures ralises en mode conduit

25

20

15

10

5

0

Dbi

t (M

bit/

s)

RS EPRE (dBm / 15 kHz)

124 123 122 121 120 119 118 117 116 115 114 113 112

UE 1UE 2UE 3UE 4

Fig.1 Principaux composants du systme de test R&STS8991 pour mesures MIMO-OTA.

de rception et leur impdance de charge. Limpdance de charge relle des antennes dans lUE est assure par le fait que cette mthode nexige pendant le test aucune connexion de cbles RF aux ports dantennes.

Rsultats pertinents grce aux mesures ralises en modes conduit et rayonn Les tests OTA caractrisent les proprits MIMO de lUE dans des conditions similaires celles rgnant dans la pratique. Pour dterminer les performances des antennes MIMO, il est galement possible de raliser optionnellement des mesures en mode conduit et de les comparer aux rsultats des mesures ralises en mode rayonn. Les mesures en modes conduit et rayonn sont ralises avec les mmes configura-tions de signalisation de la station de base.

Dans lexemple suivant, les mesures sont ralises sur quatre modems LTE diffrents en utilisant le multiplexage spatial 22 Open Loop comme schma de transmission DL-MIMO en type de modulation 16QAM. Pour les mesures ralises en mode conduit, le dbit de donnes en liaison descendante est mesur en fonction de la puissance absolue. A cet effet, deux cbles RF relient les connecteurs correspondants du simulateur de station de base aux ports dantennes de lUE. On obtient en consquence la sensibilit de rfrence pour le schma de transmission choisi et les paramtres de la sta-tion de base. Un maximum de diversit despace est ici atteint car il nexiste aucun couplage entre les deux canaux RF. Le dbit MIMO en mode conduit reprsente donc la meilleure

sensibilit MIMO de lUE. Le dbit nest limit que par les caractristiques de rcepteur de lUE.

Les rsultats des mesures prises pour exemple sont illustres en figure2. En mode conduit, les terminaux UE 2 et UE4 prsentent la meilleure sensibilit de rcepteur. Comparati-vement, UE 1 montre une sensibilit moindre jusqu 4dB. UE1, UE2 et UE3 ont t tests dans la bande7 (2,6GHz) et UE4 dans la bande 20 (800MHz).

Pour les mesures ralises en mode rayonn, les UE ont t tests diverses positions de lantenne de test et

Fig.2 Dbit de donnes en fonction de la puissance en liaison descen-

dante (RS EPRE) aux bornes dantenne de lobjet du test.

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Rsultats des mesures ralises en mode rayonn

25

20

15

10

5

0

Dbi

t (M

bit/

s)

RS EPRE (dBm / 15 kHz)

120 115 110 105 100 95 90 85 80

UE 1UE 2UE 2 ExtAntUE 3UE 4

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respectivement quatre combinaisons de polarisation dif-frentes dans chaque position. Le dbit de donnes TPav (RSEPRE) correspond la moyenne linaire de tous les rsul-tats obtenus chaque niveau de rception RS EPRE (fig.3). UE 2 utilise ses antennes intgres et a t test dans deux configurations. UE 2 ExtAnt utilise deux diples externes polarisation croise, espacs lun de lautre dune demi-lon-gueur donde et raccords aux connecteurs dantennes de lUE2. Cet agencement fournit la meilleure performance dantennes MIMO car les antennes extrieures sont dispo-ses de telle faon quun maximum de diversit despace et de polarisation est assur.

LUE4 montre une nette dtrioration de la performance dantennes MIMO. Bien quayant atteint la meilleure sensi-bilit MIMO pour les mesures ralises en mode conduit, il offre le plus faible dbit moyen TPav lors des mesures effec-tues par rayonnement. Pour atteindre un TPav de lordre de 50%, une puissance Downlink plus leve de 5dB par rap-port au UE2 est ncessaire. Ce rsultat est en cohrence avec les attentes tant donn que lUE4 fonctionne dans la bande 20 o la longueur donde est plus de trois fois plus grande. Avec des dimensions gomtriques similaires celles de lUE2, il est en effet beaucoup plus difficile de parvenir un design dantennes prsentant une diversit de polarisation et despace quivalente.

La figure4 montre un exemple illustrant la rpartition spatiale de la sensibilit de rcepteur EIS pour le mode MIMO, pro-duite par le logiciel R&SAMS32. Le niveau de rception se rapporte un taux derreur de bloc (BLER) de 50%.

Fig.3 Dbit moyenn TPav (RS EPRE) en mode rayonn ; ensemble des

quatre combinaisons de polarisation.

Fig.4 Distribution 3D MIMO-EIS de lUE4

Normalisation des mesures MIMO-OTAPlusieurs mthodes de test permettant de dterminer la per-formance MIMO-OTA ont t proposes et discutes par les utilisateurs. Parmi les organismes de normalisation en charge de la dfinition dune norme OTA figurent principalement la CTIA aux Etats-Unis et le Groupe de travail RAN4 du 3GPP. A lheure actuelle, on ne peut pas encore prvoir qui de ces organismes publiera au plus tt une proposition de mthode de test.

Le choix dune telle mthode ne sera pas uniquement bas sur la qualit des rsultats savoir sur leur fiabilit permet-tant par exemple de dterminer les caractristiques et daider ainsi faire la distinction entre les bons concepts et ceux qui le sont moins mais dpendra galement de la complexit dune solution de test en effet troitement lie aux investisse-ments ncessaires. Il est en outre important que les temps de test soient le plus court possible.

Linitiative europenne COST 2100 a labor les bases des tests MIMO-OTA. La nouvelle initiative COST IC1004, qui dbutera ses travaux lt 2011, soutiendra la normalisation.

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ConclusionPour caractriser entirement les proprits MIMO-OTA de terminaux, leurs antennes doivent tre testes diffrentes positions dans un espace tridimensionnel. Des mesures en seulement deux dimensions ne suffisent pas car les mesures OTA doivent tre ralises sous des angles dincidence et des polarisations les plus varis. Des mesures supplmentaires, ralises en modes conduit et rayonn, permettent de faire la diffrence entre les caractristiques des antennes et celles du rcepteur et de localiser les ventuelles erreurs de conception.

Les effets de propagation par trajets multiples (fading) peuvent en outre tre vrifis avec la mthode de test deux voies. Le systme de test MIMO-OTA R&STS8991 est com-plt cet effet par le gnrateur de signaux bande de base et simulateur de fading R&SAMU200A et les flux de donnes en liaison descendante du R&SCMW500 sont dots des pro-fils de fading souhaits.

La mthode de test deux voies de Rohde&Schwarz peut tre aisment implmente dans les systmes de mesure SISO existants. Il suffit en effet dajouter un seul positionneur supplmentaire dot dune deuxime antenne de mesure. La mthode de test illustre facilite la vrification systmatique des terminaux MIMO. Il est ainsi possible de distinguer les bons concepts des moins bons, lesquels peuvent tre valus sur la base de mesures quantitatives et reproductibles.

Erwin Bhler ; Adam Tankielun

Principales abrviations3GPP 3rd Generation Partnership ProjectBLER Block Error RatioCOST European Cooperation in Science and TechnologyCTIA Cellular Telecommunications Industry AssociationDL DownlinkEIS Effective Isotropic Sensitivity (single geometrical point)MCS Modulation and Coding SchemeMIMO Multiple Input Multiple OutputOTA Over The AirRS EPRE Energy Per Resource Element (EPRE) of the Reference Signal (RS)SISO Single Input Single OutputTIS Total Isotropic SensitivityTP ThroughputTRP Total Radiated PowerUE User Equipment UL Uplink

Bibliographie[1] CTIA Test Plan for Mobile Station Over-the-Air Performance ; Rev. 3.1 ; 2011-01.[2] 3GPP TS 34.114 ; User Equipment (UE) / Mobile Station (MS) Over The Air (OTA)

antenna performance ; V8.4.0 (2010-06).[3] Rohde&Schwarz White Paper 1SP12 ; Two-Channel Method for OTA Performance

Measurements of MIMO-Enabled Devices ; www.rohde-schwarz.com (Mot cl : 1SP12).

Un nouveau livre de Rohde&Schwarz initie la norme et fournit un aperu des mesures raliser sur linterface air des stations de base et des terminaux. Le livre Long Term Evolution de lauteur Rohde&Schwarz Christina Gessner est disponible au prix de 58 dans les librairies et direc-tement dans la boutique en ligne de Rohde&Schwarz, o un extrait est galement disponible ainsi que bientt sous forme de livre lectronique pour iPad et Amazone Kindle.

ISBN 978-3-939837-11-4www.books.rohde-schwarz.com

Les bases du LTE prsentes de manire compacte

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