面向5G Massive MIMO性能評估的無線信道驗證及測試方法

孟令同，曠婧華，江天明，鄧偉，曹蕾

（中國移動通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

5G 系統(tǒng)Massive MIMO 無線通信最主要的特點是利用無線信道的多徑特征，設(shè)計合理的算法，達(dá)到最大化利用多天線的空間資源，提高系統(tǒng)的覆蓋和容量。MIMO的許多關(guān)鍵技術(shù)和算法設(shè)計都與實際的MIMO 無線信道環(huán)境密切相關(guān)。只有當(dāng)信道傳輸矩陣H接近滿秩時，才能獲得最大的自由度，充分發(fā)揮多天線的空間優(yōu)勢，獲得最大的信道容量。因此建立合理且貼近實際的MIMO無線信道并驗證該信道的準(zhǔn)確性，對于MIMO 系統(tǒng)技術(shù)的分析和評估至關(guān)重要[1-10]。

5G Massive MIMO 無線信道的驗證是5G 基站多天線性能測試的關(guān)鍵，其與3G、LTE 系統(tǒng)信道驗證存在較大的差異。目前產(chǎn)業(yè)上的5G 無線信道仿真儀有很多種，如何驗證這些仿真儀器的信道模型是否正確，是5G 基站Massive MIMO 性能測試的關(guān)鍵。對無線信道的驗證類似于MIMO 信道測量，在給定信道模型參數(shù)的情況下，驗證無線信道的徑數(shù)、各徑時延、各徑增益、到達(dá)角、離開角等參數(shù)是否與給定模型參數(shù)一致。本文將提出一套面向5G Massive MIMO 性能評估的無線信道驗證和測試方法。

1 5G Massive MIMO信道生成方法

5G Massive MIMO 信道不同于3G/4G 信道，5G Massive MIMO 的信道具有3D 空間特性，這是因為5G 基站設(shè)備（或者終端設(shè)備）采用了大規(guī)模天線技術(shù)，即無線信道模型不僅要模擬3G/4G 多徑特性（功率、角度），還需要模擬5G無線信道的三維特性，包括每條徑的角度（AOA、ZOA、AOD、ZOD）及角度擴(kuò)展[11-21]。這導(dǎo)致5G 大規(guī)模天線產(chǎn)品的信道生成與2G/3G/4G 的信道有本質(zhì)的差別。

由圖1 可見，終端至基站各個通道的信號需要進(jìn)行如下仿真：

圖1 8個終端至64TR基站Massive MIMO信道模擬儀信道仿真

（1）多徑的仿真：包括多徑的個數(shù)、多徑時延以及多徑增益仿真；

（2）多徑角度的仿真：多徑在基站各個通道映射的角度等參數(shù)仿真。

2 5G Massive MIMO信道驗證和測試方法

下面首先介紹5G Massive MIMO 信道驗證系統(tǒng)，再分別介紹5G Massive MIMO 信道的多徑功率、時延以及多徑角度的驗證方法。

圖2 是5G Massive MIMO 信道測試設(shè)備及驗證系統(tǒng)構(gòu)架，包括信號源、信道模擬器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。首先設(shè)置信道模擬器中的基站天線參數(shù)，包括：排列方式、極化方式、單陣子輻射圖等。其次，對終端進(jìn)行建模，設(shè)置終端位置、移動速度等。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（選件B91、K7 和K17）一方面進(jìn)行射脈沖發(fā)生和脈沖響應(yīng)采集，另一方面測量64TR 基站各個通道在不同多徑下的角度差。

圖2 5G Massive MIMO信道測試設(shè)備及驗證系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 5G Massive MIMO信道功率時延驗證方法

5G Massive MIMO 信道模擬器中多徑功率時延的驗證一般是將功率時延譜（PDP,Power Delay Profile）作為評價指標(biāo)，采用的方法是基于擴(kuò)頻體制的相關(guān)測量法，實現(xiàn)過程是在發(fā)端發(fā)射用于信道測量的周期性PN 序列（偽隨機(jī)序列）信號，在接收本地產(chǎn)生同樣的PN 序列并與接收到的信號做互相關(guān)運算，求得信道的瞬時沖激響應(yīng)。當(dāng)兩種碼片序列的排列相同時給出最大相關(guān)值，由于不同多徑到達(dá)有不同的時延，它們在不同時刻與PN 序列達(dá)到最大相關(guān)。因此，相關(guān)峰的個數(shù)即為多徑數(shù)量，相關(guān)峰的幅度關(guān)系即為多徑的信號幅度關(guān)系，由相關(guān)峰的位置關(guān)系可確定多徑的時延關(guān)系。相關(guān)的定義如下：

式中x、y為兩個長度均為N的序列，conj(A)表示取A的共軛，表示取A的絕對值。

比較簡便的驗證PDP 的方法是通過信號發(fā)生器發(fā)射一個脈沖信號，然后通過頻譜儀或者矢量網(wǎng)絡(luò)驗證信道模擬器仿真信道的PDP。具體的方法如下：基于圖2 的信道模擬器驗證系統(tǒng)構(gòu)架圖，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至終端1 端口，從64×8 Massive MIMO 仿真驗證系統(tǒng)64 陣子采集脈沖信號并進(jìn)行分析（每個終端至相控陣基站具有24 個徑，每個徑到達(dá)角不一樣）。圖3為輸入終端1 端口信號、基站陣子1 到基站陣子64 端口輸出信號時間與功率關(guān)系，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀即可驗證徑數(shù)、多徑的時延和功率。

圖3 終端至基站各個通道信號功率和時延關(guān)系

2.2 5G Massive MIMO多徑角度驗證方法

（1）5G Massive MIMO 多徑角度計算原理

假設(shè)5G 基站為64TR 天線，雙極化64 通道?；鞠嗫仃囂炀€排列為四行八列，天線橫排間距為dx，豎排間距為dy。64TR 基站天線如圖4 所示。

圖4 64 TR基站天線

當(dāng)終端到基站天線的距離（單位米）遠(yuǎn)大于天線間距（單位厘米），那么基站天線陣列接收到的信號可認(rèn)為近似平行來波，參考圖5：

圖5 天線來波示意圖

由圖5 可知，elmN接收到的信號相對于elm0 的相位差為：（弧度）。如同時存在垂直維和水平維，則兩個維度分別計算后合并，于是可以得到多徑AOA/EOA/AOD/EOD 的計算方法。

1）AOA 計算方法

終端1 至基站第1 徑AOA 計算方法如下：

其中，φi表示終端1 至基站i通道第1 徑的相位，dx表征基站相控陣天線橫排間距。

2）EOA 計算方法

終端1 至基站第1 徑ZOA 計算方法如下：

其中，φi表征終端1 至基站i通道第1 徑的相位，dy表征基站相控陣天線豎排間距。

3）AOD 計算方法

基站至終端1 第1 徑AOD 計算方法如下：

其中，φi表征基站i通道至終端1 第1 徑的相位，dx表征基站相控陣天線橫排間距。

4）EOD 計算方法

基站至終端1 第1 徑ZOD 計算方法如下：

其中，φi表征基站i通道至終端1 第1 徑的相位，dy表征基站相控陣天線豎排間距。

由上面的多徑AOA/EOA/AOD/EOD 的計算方法可以看出，只要具體有Massive MIMO 主設(shè)備各通道之間的相位差即可得到多徑的角度。下面介紹通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析測試Massive MIMO 主設(shè)備各通道之間的相位差的方法。

（2）5G Massive MIMO 多徑角度驗證方法

1）AOA/EOA 測試方法

基于以上分析，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至終端1 端口，從64×8 Massive MIMO 信道驗證系統(tǒng)的64 個通道采集脈沖信號并進(jìn)行分析（假設(shè)每個終端至基站具有24 個徑，每個徑到達(dá)角不一樣）。圖6 是輸入終端1 端口信號、基站通道1 端口到基站通道64 端口輸出信號時間與功率關(guān)系。

由圖6 可見，在時間與功率關(guān)系方面，多徑特性在各個基站通道上表征是一樣的。然而，時間與相位的關(guān)系不同，如圖7 所示。

由圖7 可見，基站1 通道和基站2 通道輸出信號在徑1 時間段間相位差為Δφ1，在徑2 時間段相位差為Δφ2……在徑24 時間段相位差為Δφ24（注：Δφ1表征徑1到達(dá)角在基站通道1 和基站通道2 投射相位差，Δφ2表征徑2 到達(dá)角在基站陣子1 和陣子2 投射相位差……Δφ24表征徑24 到達(dá)角在基站陣子1 和陣子2 投射相位差）。這樣，使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站陣子1 端口和基站陣子2 端口輸出信號間相位差如圖8 所示。

圖7 基站1通道和基站2通道輸出信號時間與相位關(guān)系

圖8 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站陣子1端口和基站陣子2端口輸出信號間相位差

2）AOD/ZOD 測試方法

對AOD/EOD 的測試方法與AOA/ZOA 原理一致。設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至基站陣子1 端口，從64×8 Massive MIMO 信道驗證系統(tǒng)終端1 端口采集脈沖信號并進(jìn)行分析（每個終端至相控陣基站具有24 個徑，每個徑到達(dá)角不一樣）。在時間與功率關(guān)系方面，多徑特性在各個基站通道端口至同一終端表征是一樣的，然而，時間與相位的關(guān)系不同?；就ǖ? 端口和基站通道2 端口至終端1 端口輸出信號在徑1 時間段間相位差為Δφ1，在徑2 時間段相位差為Δφ2……在徑24 時間段相位差為Δφ24（注：Δφ1表征徑1 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差，Δφ2表征徑2 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差……Δφ24表征徑24 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差）。這樣，可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站通道1 端口和基站通道2端口至終端輸出信號間相位差。

通過如上方法，可以得到如下測量數(shù)據(jù)：

終端1 至基站通道1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

終端1 至基站通道2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

終端1 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

終端2 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

終端8 至基站通道1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

終端8 至基站通道2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

終端8 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

基站通道1 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

基站通道2 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

基站通道64 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

基站通道64 至終端2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

基站通道1 至終端8 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

基站通道2 至終端8 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位；

……

基站通道64至終端8徑1相位、徑2相位……徑24相位。

基于如上測量數(shù)據(jù)，通過AOA/EOA/AOD/EOD 的計算公式可得：

終端1 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA；

終端2 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA；

……

終端8 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA；

基站至終端1 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD……徑24 AOD/EOD；

基站至終端2 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD……徑24 AOD/EOD；

……

基站至終端8 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD、……、徑24 AOD/EOD。

2.3 5G Massive MIMO信道驗證試驗

為了驗證本文所提的5G Massive MIMO 信道驗證及測試方法，利用信道模擬器及相關(guān)儀表分別對無線信道功率時延、以及多徑角度進(jìn)行測試驗證。圖9 為5G Massive MIMO 信道的測試設(shè)備，包括信號源、信道模擬器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。

圖9 5G Massive MIMO信道測試設(shè)備

圖10 為CDL-B 信道理論值和估計值的PDP 對比圖。從圖中的PDP 測試結(jié)果可以看出，通過測試得到的可分辨的仿真徑數(shù)以及時延基本和理論值基本一致，滿足精度要求，說明了所提方法的有效性。

圖10 CDL-B信道理論值和估計值的PDP對比圖

圖11 為CDL-B 信道多徑角度理論值和估計值的對比圖。測試結(jié)果顯示，多徑角度估計值與理論值基本重合，驗證了所提多徑角度驗證方法的有效性和合理性。

圖11 CDL-B信道多徑角度理論值和估計值的對比圖

3 結(jié)束語

本文對5G Massive MMO 無線信道測試設(shè)備和驗證方法進(jìn)行了介紹，分析了5G Massive IMMO 信道與之前通信系統(tǒng)信道的差異。與2G/3G/4G 系統(tǒng)通信信道主要驗證多徑的功率和時延等參數(shù)所不同，5G 系統(tǒng)由于Massive MIMO 的廣泛應(yīng)用，需要對5G Massive MIMO 信道的多徑角度等參數(shù)進(jìn)行驗證。針對5G Massive IMMO 信道的驗證，本文提出了一種Massive MIMO 無線信道測試設(shè)備及驗證方法，實現(xiàn)了驗證5G Massive MIMO 信道準(zhǔn)確性的目的，彌補(bǔ)了5G 無線信道驗證和測試的空白。