Massive-MIMO大規(guī)模天線技術(shù)概述與測(cè)試方法

【摘? 要】為更好地評(píng)估天線技術(shù)的演進(jìn)給5G網(wǎng)絡(luò)帶來的增益，探索有源天線的新型測(cè)試方法，首先簡(jiǎn)述了大規(guī)模天線的技術(shù)原理和最新協(xié)議進(jìn)展，分析了大規(guī)模天線應(yīng)用的技術(shù)挑戰(zhàn)，并針對(duì)5G導(dǎo)頻設(shè)計(jì)與信道估計(jì)方法、數(shù)/模波束賦型架構(gòu)以及一體化有源天線測(cè)試方法等問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究。

【關(guān)鍵詞】大規(guī)模天線;波束賦形;OTA測(cè)試

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000? ? ? ? 中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：魏垚. Massive-MIMO大規(guī)模天線技術(shù)概述與測(cè)試方法[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

5G系統(tǒng)引入大規(guī)模天線是因?yàn)殡S著無線通信系統(tǒng)物理層技術(shù)的進(jìn)步，LTE系統(tǒng)的系統(tǒng)容量已經(jīng)逼近香農(nóng)極限，難以再進(jìn)行更深度的挖掘，5G頻譜效率和系統(tǒng)容量的突破需另辟蹊徑。從頻域和時(shí)域，甚至碼域的角度沒有大的提升，5G將目光轉(zhuǎn)向空間復(fù)用。大規(guī)模天線（Massive-MIMO）概念是在2010年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomas L Marzetta首次提出[1]，通過基站側(cè)布置大規(guī)模陣列天線，將發(fā)射能量集中，將波束賦型在更窄的方向上，在空間中每個(gè)波束相對(duì)獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)空間域維度的資源復(fù)用。理論假設(shè)當(dāng)天線數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶終端數(shù)時(shí)，多用戶傳輸信道趨于正交，實(shí)現(xiàn)頻譜資源復(fù)用，能夠數(shù)倍提高小區(qū)容量和頻譜效率[2]。

MIMO技術(shù)在3GPP LTE早期版本已經(jīng)出現(xiàn)，隨著容量需求和技術(shù)的發(fā)展，天線數(shù)隨版本演進(jìn)不斷增多，16天線可以認(rèn)為是進(jìn)入多天線“大規(guī)?！钡拈T檻。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展如圖1所示，為了實(shí)現(xiàn)全維發(fā)射，Rel-12中首先完成了針對(duì)6 GHz以下頻段的3D化的信道及應(yīng)用場(chǎng)景建模工作，通過球面體傳播模型替代傳統(tǒng)的平面?zhèn)鞑ツＰ?，垂直維度的波束能夠?qū)崿F(xiàn)高樓覆蓋，擴(kuò)展了多天線的應(yīng)用場(chǎng)景。緊接著Rel-13中，3GPP定義了能夠支持最多16個(gè)端口的FD-MIMO方案。Rel-14對(duì)6～100 GHz頻段的信道和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了建模，同時(shí)提出了支持32個(gè)端口的eFD-MIMO，支持非周期的CSI-RS和上行DM-RS增強(qiáng)。2017年3月3GPP RAN #75次全會(huì)正式開啟了Rel-15版本的5G標(biāo)準(zhǔn)制定，并在RAN1的物理層新空口立項(xiàng)中針對(duì)大規(guī)模天線技術(shù)細(xì)節(jié)開展工作，包括多天線方案、波束管理、CSI獲取、參考信號(hào)設(shè)計(jì)和QCI等[3]。

多天線技術(shù)在4G系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是隨著天數(shù)數(shù)量的增加、天線設(shè)備的一體化等新的變化，大規(guī)模天線的引入和應(yīng)用將面臨眾多挑戰(zhàn)。天線數(shù)量急劇增加，會(huì)帶來傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上的問題如系統(tǒng)開銷，下行方向會(huì)隨著基站的天線數(shù)量的增加而呈接近于線性增加的趨勢(shì)，上行方向則因?yàn)樾枰坏膶?dǎo)頻資源，當(dāng)同時(shí)在線的用戶數(shù)量增加而線性增長(zhǎng)。因此，5G NR的新導(dǎo)頻如何設(shè)計(jì)是一個(gè)挑戰(zhàn)。大規(guī)模天線雖然在高頻通信場(chǎng)景中體積做得極小，但多通道的基帶處理單元和功放設(shè)備的成本問題不可忽視，數(shù)字波束賦形和模擬波束賦形如何在高頻通信環(huán)境中取得折中極具挑戰(zhàn)。一體化有源天線已成為5G天線形態(tài)的主要趨勢(shì)，其“一體化”和“有源”的特性使傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)試指標(biāo)具有局限性，一種OTA的測(cè)試方法已逐漸成為未來有源天線測(cè)試的主要趨勢(shì)。論文分別就以上挑戰(zhàn)一一進(jìn)行了詳細(xì)的描述和分析，并就業(yè)界目前的解決方案和部分已經(jīng)被5G標(biāo)準(zhǔn)化的重要結(jié)論進(jìn)行了分析說明，最后在文末進(jìn)行重要結(jié)論的總結(jié)。

1? ?導(dǎo)頻設(shè)計(jì)與信道估計(jì)方法

4G系統(tǒng)中的CRS是小區(qū)級(jí)的，主要負(fù)責(zé)的功能包括三個(gè)：（1）小區(qū)級(jí)信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量反饋，用于系統(tǒng)切換的判決依據(jù);（2）信道狀態(tài)指示反饋，系統(tǒng)調(diào)度的依據(jù);（3）下行相位和幅度估計(jì)，用于下行信道的相干解調(diào)。這三個(gè)功能對(duì)導(dǎo)頻資源的需求是不同的，精度要求各有高低，如表1所示。因此從R10版本開始，引入了用于獲取信道質(zhì)量的參考信號(hào)（CSI-RS）和用于解調(diào)數(shù)據(jù)的參考信號(hào)（DM-RS），同時(shí)為了兼顧舊終端，CRS依然肩負(fù)起小區(qū)級(jí)信道強(qiáng)度和質(zhì)量反饋的功能而被保留下來。

然而，5G系統(tǒng)如果延用4G的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)思路，無論上下行導(dǎo)頻開銷都會(huì)因天線數(shù)量的增加而陡增，導(dǎo)致系統(tǒng)沒有多余的時(shí)頻資源用于傳輸數(shù)據(jù)。因此，在R15的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，5G NR新空口做了新的調(diào)整和變化，包括支持四種參考信號(hào)：解調(diào)參考信號(hào)DMRS，相位追蹤參考信號(hào)PTRS，測(cè)量參考信號(hào)SRS和信道狀態(tài)信息參考信號(hào)CSI-RS。R15的NR參考信號(hào)主要變化和原因包括：

（1）NR取消了CRS參考信號(hào)，傳統(tǒng)的小區(qū)級(jí)測(cè)量RSRP和RSRQ信號(hào)將變?yōu)椴ㄊ?jí)的，這部分功能由PSS、SSS和PBCH組成的SS block和CSI-RS的測(cè)量來實(shí)現(xiàn)，空閑態(tài)重選基于SS block的測(cè)量，激活態(tài)切換基于SS block和CSI-RS的測(cè)量。

（2）DMRS則維持對(duì)控制信道和業(yè)務(wù)信道的相干解調(diào)，僅僅在需要時(shí)才發(fā)送。

（3）PTRS是NR新引入的參考信號(hào)，是為了消除高頻段的5G系統(tǒng)的相位噪聲。隨著振蕩器載波頻率的上升，相位噪聲也會(huì)增大，會(huì)導(dǎo)致不同時(shí)域OFDM符號(hào)上的所有子載波產(chǎn)生相位旋轉(zhuǎn)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)比DMRS在頻域具有更低密度而在時(shí)域具有更高密度的RS進(jìn)行測(cè)量。PTRS具體時(shí)頻位置還在3GPP討論中。

（4）SRS是基站用來估計(jì)信道狀態(tài)（CSI）以支持上行信道相關(guān)的調(diào)度和鏈路自適應(yīng)的（MCS）。NR的SRS設(shè)計(jì)將基于傳統(tǒng)LTE的SRS設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了增強(qiáng)，SRS可能將會(huì)有模塊化的、靈活的設(shè)計(jì)，以支持不同的流程以及用戶終端能力，為了實(shí)現(xiàn)更好測(cè)量精度和效果以用于波束管理。

OTA測(cè)試能夠?qū)υO(shè)備的整機(jī)性能進(jìn)行測(cè)試，能夠更真實(shí)地反映設(shè)備的實(shí)際性能，因此OTA測(cè)試是AAS設(shè)備測(cè)試的發(fā)展方向，特別對(duì)于Massive MIMO相關(guān)的性能測(cè)試。但是OTA測(cè)試相對(duì)于傳統(tǒng)的傳導(dǎo)測(cè)試，需要在微波暗室進(jìn)行。對(duì)于無線設(shè)備測(cè)試需要的微波暗室空間較大，測(cè)試費(fèi)用昂貴。另外采用OTA測(cè)試信號(hào)經(jīng)過空間耦合，被測(cè)設(shè)備到測(cè)試接收天線間的路徑損耗會(huì)降低測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度和準(zhǔn)確性。

4? ? 結(jié)束語

大規(guī)模天線因具備提升系統(tǒng)容量、頻譜效率、用戶體驗(yàn)速率、增強(qiáng)全維覆蓋和節(jié)約能耗等諸多優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是5G最具潛力的無線網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)階段，大規(guī)模天線技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用還需要解決諸多挑戰(zhàn)，但無論從學(xué)術(shù)理論上還是從標(biāo)準(zhǔn)制定方面已經(jīng)有了解決方案。5G NR重新設(shè)計(jì)了導(dǎo)頻和信道估計(jì)方法以適應(yīng)大規(guī)模天線的多波束和全維的特點(diǎn)，數(shù)字波束賦型和模擬波束賦型在成本和性能之間取得折中，數(shù)/模混合波束賦形在高頻大帶寬場(chǎng)景更具應(yīng)用前景，傳統(tǒng)的天線測(cè)試方法已經(jīng)不適應(yīng)一體化有源天線的測(cè)試，OTA測(cè)試是未來大規(guī)模天線測(cè)試的主要方向。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家重大科技專項(xiàng)“5G高速連續(xù)廣域覆蓋技術(shù)方案與試驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)”（2016ZX03001009）;增強(qiáng)移動(dòng)寬帶5G系統(tǒng)概念樣機(jī)研發(fā)（2017ZX03001001）

收稿日期：2017-09-01