面向IMT-2020的大規(guī)模天線技術(shù)

蘇昕 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心技術(shù)專家

孫韶輝 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心總工程師

康紹莉 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心技術(shù)專家

蘇進(jìn) 喜大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司技術(shù)專家

蔡月民 大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司總工程師

面向IMT-2020的大規(guī)模天線技術(shù)

蘇昕 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心技術(shù)專家

孫韶輝 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心總工程師

康紹莉 大唐無(wú)線移動(dòng)創(chuàng)新中心技術(shù)專家

蘇進(jìn) 喜大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司技術(shù)專家

蔡月民 大唐移動(dòng)通信設(shè)備有限公司總工程師

從技術(shù)原理、關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展情況等方面對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)進(jìn)行了整體的概述。在此基礎(chǔ)之上，結(jié)合工信部5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試工作的開展情況，對(duì)大唐電信集團(tuán)重點(diǎn)參與的大規(guī)模天線設(shè)備和5G基站驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了探討，對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)的測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析與說(shuō)明。最后，對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)的后續(xù)研究和標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)、設(shè)備開發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證等工作方向進(jìn)行了展望。

IMT-2020；5G；MIMO；massive MIMO

1 大規(guī)模天線技術(shù)概述

高速無(wú)線數(shù)據(jù)接入業(yè)務(wù)與用戶數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，需要更高速率、更大系統(tǒng)容量的無(wú)線鏈路的支持，而決定無(wú)線鏈路傳輸效能的最根本因素在于信道容量。多天線信息理論證明了在無(wú)線通信鏈路的收、發(fā)兩端均使用多個(gè)天線的通信系統(tǒng)所具有的信道容量將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)單天線系統(tǒng)信息傳輸能力極限。多天線信息理論為MIMO技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，展現(xiàn)了其在高速無(wú)線接入系統(tǒng)中的廣闊應(yīng)用前景。

由于多天線技術(shù)在提升峰值速率、系統(tǒng)頻帶利用效率與傳輸可靠性等方面的巨大優(yōu)勢(shì)，該技術(shù)目前已廣泛地應(yīng)用于幾乎所有主流的無(wú)線接入系統(tǒng)中。對(duì)于構(gòu)建在OFDM+MIMO構(gòu)架之上的LTE系統(tǒng)而言，MIMO作為其標(biāo)志性技術(shù)之一，在LTE的幾乎所有發(fā)

展階段都是其最核心的支撐力量之一。MIMO技術(shù)對(duì)于提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾逝c可靠性、擴(kuò)展覆蓋、抑制干擾、增加系統(tǒng)容量、提升系統(tǒng)吞吐量都發(fā)揮著重要作用。

MIMO技術(shù)的性能增益來(lái)自于多天線信道的空間自由度，因此MIMO維度的擴(kuò)展一直是該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的一個(gè)重要方向。隨著數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)與用戶數(shù)量的激增，未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)將面臨更大的技術(shù)壓力。在這一技術(shù)發(fā)展背景之下，大規(guī)模天線理論應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)基站側(cè)天線數(shù)遠(yuǎn)大于用戶天線數(shù)時(shí)，基站到各個(gè)用戶的信道將趨于正交。這種情況下，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個(gè)用戶的信噪比，從而能夠在相同的時(shí)頻資源共同調(diào)度更多用戶。

MassiveMIMO技術(shù)理論的出現(xiàn)以及有源天線技術(shù)在商用移動(dòng)通信系統(tǒng)中應(yīng)用條件的日益成熟，為MIMO維度的進(jìn)一步擴(kuò)展奠定了理論和可實(shí)現(xiàn)性基礎(chǔ)，為MIMO技術(shù)進(jìn)一步向著大規(guī)模化和3D化方向的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。

在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)大規(guī)模天線陣列，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細(xì)波束，能夠提供更靈活的空間復(fù)用能力，改善接收端接收信號(hào)并更好地抑制用戶間的干擾，從而實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)容量和頻譜利用效率。

大規(guī)模天線技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景包括：集中式覆蓋、高層建筑、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景、室內(nèi)外熱點(diǎn)以及郊區(qū)、無(wú)線回傳鏈路等。此外，以分布式天線的形式構(gòu)建大規(guī)模天線系統(tǒng)也可能成為該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景之一。在需要廣域覆蓋的場(chǎng)景，大規(guī)模天線技術(shù)可以利用現(xiàn)有頻段。在熱點(diǎn)覆蓋或回傳鏈路等場(chǎng)景中，則可以考慮使用更高的頻段。由于頻段直接決定了天線系統(tǒng)的尺寸，高頻段的應(yīng)用對(duì)于大規(guī)模天線陣列的小型化與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)部署十分有利。而在高頻段中，也需要大規(guī)模天線系統(tǒng)所提供的高波束增益來(lái)彌補(bǔ)傳播環(huán)境中非理想因素的影響?？梢灶A(yù)見的是，大規(guī)模天線技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中將會(huì)與高頻段技術(shù)緊密結(jié)合。

2 大規(guī)模天線技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化推進(jìn)進(jìn)展

MassiveMIMO的理論研究結(jié)論及初步性能評(píng)估、驗(yàn)證結(jié)果為我們描繪出了該技術(shù)在未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)中的美好發(fā)展前景。鑒于MassiveMIMO技術(shù)對(duì)于提升系統(tǒng)性能的巨大潛力，包括ITU、3GPP、歐盟的METIS、5G-PPP、韓國(guó)的5G Forum、我國(guó)的IMT-2020（5G）推進(jìn)組和FuTURE等研究和標(biāo)準(zhǔn)化組織也都將大規(guī)模MIMO技術(shù)作為5G系統(tǒng)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并紛紛展開了相應(yīng)的研究工作。

需要注意的是，盡管學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了較為廣泛的研究，在MassiveMIMO技術(shù)從理論研究轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)用化的重要轉(zhuǎn)折時(shí)期，仍然存在若干關(guān)鍵技術(shù)問題需要進(jìn)一步深入研究：

（1）MassiveMIMO應(yīng)用場(chǎng)景的研究與建模

MIMO技術(shù)方案的性能增益與應(yīng)用場(chǎng)景和部署環(huán)境具有非常密切的關(guān)系，因此有必要結(jié)合下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的部署場(chǎng)景與業(yè)務(wù)需求，有針對(duì)性地研究MassiveMIMO的適用場(chǎng)景，并對(duì)其典型的應(yīng)用場(chǎng)景及信道特性進(jìn)行信道參數(shù)的測(cè)量與建模。這一工作將為MassiveMIMO的天線選型、技術(shù)方案設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)方案制定提供方向性的指引，同時(shí)針對(duì)典型應(yīng)用場(chǎng)景基于實(shí)測(cè)的信道參數(shù)建模也將為準(zhǔn)確地構(gòu)建技術(shù)方案評(píng)估體系，并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)技術(shù)方案在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能表現(xiàn)提供了重要依據(jù)。

針對(duì)上述問題，3GPP R12中首先完成了針對(duì)6GHz以下頻段的3D化的信道及應(yīng)用場(chǎng)景建模工作?；谏鲜隹蚣芗案哳l段信道的實(shí)測(cè)結(jié)果，R14中對(duì)6～100GHz頻段的信道和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了建模。結(jié)合IMT-2020系統(tǒng)性能評(píng)估需求，ITU正在對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展和完善。

（2）面向異構(gòu)和密集組網(wǎng)的Massive MIMO組網(wǎng)方案

為了應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)需求的迅速發(fā)展，C/U分離、分布式前端/云計(jì)算、超蜂窩、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架隨之出現(xiàn)，而未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)也逐漸向著異構(gòu)化與密集化的方向發(fā)展。這種情況下，Massive MIMO技術(shù)方案的設(shè)計(jì)思路應(yīng)當(dāng)順應(yīng)新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架與組網(wǎng)方式的發(fā)展趨勢(shì)，并與之有機(jī)地融合在一起，這樣才能充分地體現(xiàn)出Massive MIMO技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)。隨著天線規(guī)模的增大以及新型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架和組網(wǎng)方式的出現(xiàn)，大規(guī)模天線的多用戶、多小區(qū)調(diào)度和協(xié)作技術(shù)方案將面臨更加復(fù)雜的部署場(chǎng)景、干擾環(huán)境以及更

為復(fù)雜的校準(zhǔn)與能效優(yōu)化問題。而天線規(guī)模的增加對(duì)調(diào)度、協(xié)作、校準(zhǔn)以及回程鏈路的設(shè)計(jì)都提出了更為嚴(yán)苛的要求。這些都將是MassiveMIMO技術(shù)步入實(shí)用化和標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中需要面對(duì)的重要問題。

（3）MassiveMIMO物理層關(guān)鍵技術(shù)

天線陣列規(guī)模的增大帶來(lái)了可利用空間自由度的大幅度提高，為支持更大的用戶數(shù)量與更高的頻譜利用率創(chuàng)造了有利的條件。然而，MIMO維度的大幅度擴(kuò)展與用戶數(shù)量的激增也為相應(yīng)的物理層技術(shù)方案設(shè)計(jì)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。

●波束賦形技術(shù)：MassiveMIMO的性能增益主要是通過(guò)大規(guī)模陣列構(gòu)成的多用戶信道間的準(zhǔn)正交特性保證的。然而，在實(shí)際的信道條件中，由于設(shè)備與傳播環(huán)境中的諸多非理想因素的存在，為了獲得穩(wěn)定的多用戶傳輸增益，仍然需要依賴下行發(fā)送與上行接收算法的設(shè)計(jì)來(lái)有效地抑制用戶間乃至小區(qū)間的同道干擾。而傳輸與檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度則直接與天線陣列規(guī)模和用戶數(shù)相關(guān)。此外，基于大規(guī)模陣列的預(yù)編碼/波束賦形算法與陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)成本、功率效率和系統(tǒng)性能都有直接的聯(lián)系。因此針對(duì)Massive MIMO的傳輸與檢測(cè)方案的計(jì)算復(fù)雜度與系統(tǒng)性能的平衡將是該技術(shù)進(jìn)入實(shí)用化的首要問題。

●信道測(cè)量與反饋技術(shù)：由于信道狀態(tài)信息測(cè)量、反饋及參考信號(hào)設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)于MIMO技術(shù)的重要意義，這一領(lǐng)域歷來(lái)都是MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化討論的核心內(nèi)容，針對(duì)這一問題的研究、評(píng)估驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化方案設(shè)計(jì)對(duì)于MassiveMIMO技術(shù)實(shí)用化發(fā)展都具有極其重要的意義。

●覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以及高速移動(dòng)解決方案：天線規(guī)模的擴(kuò)展對(duì)于業(yè)務(wù)信道的覆蓋將帶來(lái)巨大的增益，但是對(duì)于需要對(duì)全小區(qū)內(nèi)所有終端進(jìn)行有效覆蓋的廣播信道而言，則會(huì)帶來(lái)諸多不利影響。除此之外，MassiveMIMO還需要考慮在高速移動(dòng)場(chǎng)景下，如何提供信號(hào)的可靠的高速率傳的問題。在這種場(chǎng)景下，MassiveMIMO系統(tǒng)面臨的最大挑戰(zhàn)是信道信息的劇烈時(shí)變性。此時(shí)，對(duì)信道信息獲取依賴度較低的波束跟蹤和波束拓寬技術(shù)，可以有效利用MassiveMIMO的陣列增益提升數(shù)據(jù)傳輸可靠性和傳輸速率，值得我們進(jìn)一步探索。

●多用戶調(diào)度與資源管理技術(shù)：MassiveMIMO為無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)提供了更精細(xì)的空間粒度以及更多的空間自由度，因此基于MassiveMIMO的多用戶調(diào)度技術(shù)、業(yè)務(wù)負(fù)載均衡技術(shù)以及資源管理技術(shù)將獲得可觀的性能增益。

（4）大規(guī)模有源陣列天線技術(shù)

MassiveMIMO前端系統(tǒng)從內(nèi)部射頻通道結(jié)構(gòu)上可分為數(shù)字陣和數(shù)?；旌详噧纱箢?。當(dāng)天線數(shù)很大時(shí)，采用傳統(tǒng)的全數(shù)字架構(gòu)勢(shì)必帶來(lái)巨大的復(fù)雜度、功耗以及成本的上升。尤其在高頻段，混合的陣列架構(gòu)將具有很大的應(yīng)用潛力。天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的構(gòu)架、設(shè)備的尺寸、硬件成本以及網(wǎng)絡(luò)部署都會(huì)帶來(lái)影響。對(duì)于MIMO技術(shù)而言，更是要依賴于天線陣列所帶來(lái)的空間自由度，才能展現(xiàn)其性能優(yōu)勢(shì)。隨著天線設(shè)計(jì)構(gòu)架的演進(jìn)，AAS技術(shù)的實(shí)用化發(fā)展已經(jīng)對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的底層設(shè)計(jì)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路帶來(lái)巨大影響，這一發(fā)展趨勢(shì)必將推動(dòng)MIMO技術(shù)由傳統(tǒng)的針對(duì)2D空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)向著更高維度的空間擴(kuò)展，并為MassiveMIMO技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。大規(guī)模有源陣列天線的構(gòu)架研究、高效、高可靠、小型化、低成本、模塊化收發(fā)組件設(shè)計(jì)、高精度檢測(cè)與校準(zhǔn)方案設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題將直接影響到基于大規(guī)模天線的MassiveMIMO技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的性能與效能，并將成為直接關(guān)系到MassiveMIMO技術(shù)是否能夠最終進(jìn)入實(shí)用化階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在已經(jīng)完成的3GPPR13版本中，3GPP已經(jīng)定義了能夠支持最多16個(gè)端口的FD-MIMO方案。R14中則進(jìn)一步將eFD-MIMO的端口數(shù)提升至32個(gè)，并支持非周期CSI-RS、上行DM-RS增強(qiáng)等新技術(shù)方案。上述FD/eFD-MIMO技術(shù)可以被認(rèn)為是MassiveMIMO技術(shù)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化的初級(jí)階段。在針對(duì)NR（NewRadio）的研究項(xiàng)目中，3GPP正在進(jìn)一步研究多達(dá)256～1024個(gè)天線陣子的大規(guī)模天線系統(tǒng)。TDD系統(tǒng)對(duì)于大規(guī)模天線的實(shí)現(xiàn)具有先天優(yōu)勢(shì)，在標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)中一直是非常重要的技術(shù)方向。除了天線規(guī)模的擴(kuò)大，NR將會(huì)從幀結(jié)構(gòu)、導(dǎo)頻優(yōu)化、反饋機(jī)制、波束管理波束掃描、靈活參數(shù)集合設(shè)計(jì)等方面持續(xù)擴(kuò)展大規(guī)模天線技術(shù)方案的功能，以獲得頻譜效率和系統(tǒng)容量的有效提升?？梢灶A(yù)見，這一技術(shù)也將成為R15及其后續(xù)版本標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程的熱點(diǎn)。

3 大規(guī)模天線技術(shù)試驗(yàn)

我國(guó)政府對(duì)于大規(guī)模天線技術(shù)的研究和推進(jìn)工作非常重視，陸續(xù)設(shè)立了多項(xiàng)863和國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題支持相關(guān)工作的展開。2013年成立的IMT-2020（5G）推進(jìn)組中，專門設(shè)立了大規(guī)模天線技術(shù)專題組，負(fù)責(zé)組織企業(yè)和科研院所進(jìn)行大規(guī)模天線關(guān)鍵技術(shù)研究、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和推進(jìn)工作。

在上述研究工作基礎(chǔ)之上，工信部制定了我國(guó)的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)工作總體規(guī)劃，進(jìn)一步將大規(guī)模天線技術(shù)等IMT-2020系統(tǒng)的重要支撐技術(shù)推向?qū)嵱没l(fā)展道路。根據(jù)這一總體規(guī)劃，5G技術(shù)試驗(yàn)工作將分兩步走：

第一步主要由中國(guó)信息通信研究院主導(dǎo)，運(yùn)營(yíng)企業(yè)、設(shè)備企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)共同參與，在2015—2018年期間會(huì)分3個(gè)階段開展工作：第一階段已在2016年9月基本完成，這一階段主要針對(duì)5G的重點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)大規(guī)模天線、新型多址、新型多載波、高頻段通信等7項(xiàng)無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)及4項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了單點(diǎn)的樣機(jī)性能和功能驗(yàn)證；第二階段將在2016年6月—2017年9月期間展開工作，這一階段將會(huì)融合多種關(guān)鍵技術(shù)，開展單基站性能測(cè)試；第三階段是2017年6月—2018年10月，這一階段將會(huì)對(duì)5G系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)性能進(jìn)行測(cè)試，并且對(duì)5G典型業(yè)務(wù)進(jìn)行演示。

2018 —2020 年間，在第一步技術(shù)研發(fā)工作基礎(chǔ)之上，第二步工作將是針對(duì)產(chǎn)業(yè)化需求，進(jìn)行針對(duì)產(chǎn)品研發(fā)的試驗(yàn)驗(yàn)證。這一步將會(huì)由運(yùn)營(yíng)商來(lái)主導(dǎo)，最終將為5G系統(tǒng)的商用奠定基礎(chǔ)。

在上述計(jì)劃中，大規(guī)模天線是大唐在5G第一階段的測(cè)試中重點(diǎn)參與的無(wú)線技術(shù)。大唐測(cè)試采用的5G基站驗(yàn)證平臺(tái)支持業(yè)界規(guī)模最大的256天線有源天線陣列，在3.5GHz頻段的100MHz帶寬上，支持20個(gè)數(shù)據(jù)流的并行傳輸，頻譜效率達(dá)到4GLTE系統(tǒng)的7～8倍以上。

3.1 5G基站驗(yàn)證平臺(tái)

大唐參與本次測(cè)試的5G基站驗(yàn)證平臺(tái)為傳統(tǒng)的宏基站分布式架構(gòu)，即BBU+射頻拉遠(yuǎn)單元的設(shè)備形態(tài)。其中，射頻單元AAU為128通道256天線有源天線陣列，射頻工作帶寬支持3.5G頻段200MHz，每通道發(fā)射功率1W，AAU整體發(fā)射功率128W，AAU如圖1所示。

128通道256天線的AAU樣機(jī)設(shè)計(jì)，可以在保證天線增益的同時(shí)，降低天線體積、功耗、成本，更利于后續(xù)大規(guī)模天線陣列的產(chǎn)業(yè)化和實(shí)用化。天線陣內(nèi)部以8通道為基本單元，可靈活配置，易于支持雙極化和垂直分裂。大規(guī)模有源天線陣的通道數(shù)量、水平和垂直維度陣元數(shù)量設(shè)計(jì)的考慮了如下幾點(diǎn)原則：

（1）有源天線陣列中的陣元分布，以1+1雙極化振子為基本單位，采用水平方向8垂直方向16的數(shù)量分布。

（2）采用128通道/256天線，射頻通道的數(shù)量降低一半，可以大幅度降低有源天線的整體成本。

（3）一個(gè)射頻通道驅(qū)動(dòng)在垂直方向兩個(gè)相同極化方向的陣元，考慮是不增加水平方向天線陣列的尺寸。因?yàn)橐话闾炀€是安裝于鐵塔或樓頂平臺(tái)，水平方向空間受限，實(shí)際工程安裝有困難。

（4）在垂直方向組陣，可以更好利用天線陣在垂直方向的增益，提高垂直方向的波束掃描能力和空分復(fù)用能力，發(fā)揮大規(guī)模天線的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。大規(guī)模天線陣元排列情況如圖2所示。

5G基站驗(yàn)證平臺(tái)的基帶處理池BBU的一個(gè)機(jī)架由多個(gè)機(jī)框構(gòu)成，每一個(gè)機(jī)框?yàn)橐粋€(gè)完整的BBU處理基本單位。單框支持128天線40M的基帶處理能力，多框可靈活擴(kuò)展聯(lián)合處理200M帶寬，BBU基帶處理池如圖3所示。

BBU基帶處理池包含網(wǎng)絡(luò)處理單元、天線處理單元和流處理單元。其中，網(wǎng)絡(luò)處理單元實(shí)現(xiàn)AP、RRC、PDCP、RLC等協(xié)議處理、系統(tǒng)同步和管理功能；流處理單元實(shí)現(xiàn)基站側(cè)MAC層調(diào)度和多用戶配對(duì)、物理層信道編碼、調(diào)制、預(yù)編碼、上行譯碼等處理功能。天線處理單元實(shí)現(xiàn)IFFT/FFT、信道估計(jì)、檢測(cè)與均衡、多用戶多流波束賦形等處理功能；基帶處理單元采用業(yè)界多核處理器、高性能DSP、大容量FPGA等主流器件。

3.2 大規(guī)模天線測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果

圖1 256天線AAU

圖2 大規(guī)模天線陣元排列圖

相對(duì)于傳統(tǒng)的八天線，大規(guī)模天線測(cè)試從驗(yàn)證場(chǎng)景和技術(shù)方案上都提出了更高要求。為了更加全面地驗(yàn)證大規(guī)模天線空口能力，需要在驗(yàn)證場(chǎng)景中充分考慮水平維度和垂直維度的可測(cè)性和可觀測(cè)性，因此對(duì)于測(cè)試場(chǎng)地的選取需要兼顧水平角度、垂直高度、信號(hào)覆蓋、終端分布以及空間隔離等各方面因素，同時(shí)根據(jù)

5G大規(guī)模天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，測(cè)試結(jié)果會(huì)對(duì)終端數(shù)量、分布密度和擺放位置有較強(qiáng)的相關(guān)性。

圖3 5G基站驗(yàn)證平臺(tái)示意圖

5G第一階段測(cè)試中，大唐在3.5GHz頻段的100MHz信號(hào)帶寬上分別完成了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和室外空

口環(huán)境的性能測(cè)試?；静捎枚鄼C(jī)框多板卡堆疊形式，通過(guò)多組光纖與室外AAU系統(tǒng)相連，AAU系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)垂直距離手動(dòng)升降，便于驗(yàn)證觀察垂直維度信號(hào)覆蓋效果。垂直場(chǎng)景測(cè)試選擇天線正面面對(duì)的大樓建筑4層室外平臺(tái)作為立體覆蓋觀測(cè)點(diǎn)，使天線對(duì)樓前地面、樓側(cè)面地面覆蓋、樓上4層平臺(tái)形成完整3D覆蓋模型加以驗(yàn)證。測(cè)試用例主要包括以下幾個(gè)方面的性能驗(yàn)證：

（1）大規(guī)模天線覆蓋下終端的水平維度分布和垂直維度分布的性能驗(yàn)證如圖4所示。在該測(cè)試用例中，多個(gè)終端都位于好點(diǎn)（SINR＞15dB），相鄰終端之間間距在2m以上，觀察該場(chǎng)景下大規(guī)模天線系統(tǒng)所能達(dá)到的峰值吞吐量。

圖4 水平分布與水平+垂直場(chǎng)景外場(chǎng)測(cè)試圖

（2）如圖5所示，對(duì)終端分散和密集分布的性能對(duì)比驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比，觀察大規(guī)模天線系統(tǒng)在終端密集和分散分布時(shí)的性能差異。

圖5 密集分布場(chǎng)景外場(chǎng)測(cè)試圖

（3）對(duì)終端在小區(qū)中均勻分布情況下的性能驗(yàn)證。按照測(cè)試規(guī)范要求，基于終端測(cè)量的SINR選擇好點(diǎn)、中點(diǎn)、差點(diǎn)3個(gè)位置區(qū)域，10部終端以3：4：3的比例分布放置，觀察此時(shí)所能達(dá)到的扇區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)平均吞吐量。

整個(gè)場(chǎng)景驗(yàn)證測(cè)試的驗(yàn)證數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果近似。在室外空口幾乎無(wú)外界無(wú)線電波干擾的情況下，單用戶雙流的峰值吞吐量為478Mbit/s。所有測(cè)試終端都位于信號(hào)覆蓋極好點(diǎn)且用戶間距離大于2m以上，10用戶全部水平分布和10用戶水平加垂直立體分布的兩種情況下，測(cè)試的總吞吐量都達(dá)到了4Gbit/s的結(jié)果。在用戶好中差均勻分布情況下，系統(tǒng)總吞吐量達(dá)到2.5Gbit/s。在10個(gè)用戶密集分布在20m范圍內(nèi)的好點(diǎn)環(huán)境下，系統(tǒng)總吞吐量達(dá)到3Gbit/s的吞吐量，相比分散分布情況下結(jié)果有所降低，符合理論預(yù)期。

通過(guò)第一階段的大規(guī)模天線單點(diǎn)技術(shù)測(cè)試，驗(yàn)證了大規(guī)模天線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多用戶空分復(fù)用和波束賦形技術(shù)，大幅提升系統(tǒng)頻譜效率和峰值吞吐量，取得了階段性成果，充分證明了大規(guī)模天線是5G最重要的技術(shù)之一。

4 后續(xù)工作展望

大規(guī)模天線技術(shù)為系統(tǒng)頻譜效率、用戶體驗(yàn)、傳輸可靠性的提升提供了重要保證，同時(shí)也為異構(gòu)化、密集化的網(wǎng)絡(luò)部署環(huán)境提供了靈活的干擾控制與協(xié)調(diào)手段。目前，MassiveMIMO理論研究為MIMO技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了有力支持，數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)飛速發(fā)展則為推動(dòng)MIMO技術(shù)的繼續(xù)演進(jìn)提供了強(qiáng)大的內(nèi)在需求，而相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的日漸成熟則為MassiveMIMO技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化提供了必要的條件。隨著一系列關(guān)鍵技術(shù)的突破以及器件、天線等技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)備發(fā)射功率、功放效率、設(shè)備體積重量等指標(biāo)將持續(xù)提升以滿足大規(guī)模商用的需求。在上述基礎(chǔ)之上，MassiveMIMO技術(shù)必將在5G系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。

基于前期的技術(shù)研究積累，在工信部5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)的總體規(guī)劃下，大唐順利完成了工信部的5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)第一階段測(cè)試，并正在積極為二階段測(cè)試工作的開展進(jìn)行準(zhǔn)備。5G二階段測(cè)試是面向應(yīng)用場(chǎng)景的系統(tǒng)性能驗(yàn)證測(cè)試，其中在最重要的連續(xù)廣覆蓋場(chǎng)景中，大規(guī)模天線技術(shù)是被采用的最主要的關(guān)鍵技術(shù)手段，將結(jié)合新空口新編碼等技術(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)頻譜效率、用戶峰值速率，系統(tǒng)峰值吞吐量、覆蓋距離等極限

性能指標(biāo)。

上述工作的開展，將進(jìn)一步有力推動(dòng)大規(guī)模天線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和實(shí)用化發(fā)展，并將為日后的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程奠定良好基礎(chǔ)。

[1]3GPPTR 36.873.3D Channel Model for LTE.

[2]3GPP TR 38.900.Channel Model for Frequency Spectrum above 6 GHz.

[3]RP-160671.Study on New Radio Access Technology.NTT DOCOMO.

[4]3GPP TR 38.913.Study on Scenarios and Requirements for Next GenerationAccess Technologies.

Large scale antenna technology for IMT-2020

SU Xin,SUN Shaohui,KANG Shaoli,SUN Jinxi,CAI Yuemin

This article from the technical principle,the key technology research and the standardization development situation and so on aspect has carried on the overall summary to the large-scale antenna technology.On this basis, combined with the test work in the first phase the Ministry of research and development of 5G technology to carry out the test,the design scheme of large-scale antenna equipment and the 5G base station platform Datang Telecom Group focus on participation is discussed,test scheme of large-scale antenna technology and the test results are analyzed and explained.Finally,the future research and standard propulsion,equipment development and test verification of large-scale antenna technology are discussed in this paper.

IMT-2020;5G;MIMO;MIMO massive

2016-10-26）