一種5G密集型組網(wǎng)的分布式多天線校正方法

楊波靖，魏 蕾

（1.中興通訊股份有限公司，陜西 西安 710014；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100）

0 引 言

隨著5G技術(shù)商用化，尤其大規(guī)模天線技術(shù)（Massive MIMO）在密集型組網(wǎng)場(chǎng)景的應(yīng)用，通過(guò)大規(guī)模運(yùn)用多矩陣多天線系統(tǒng)，達(dá)到了立體波束賦形和多流多用戶(hù)資源復(fù)用的效果，在空分傳輸過(guò)程中提供了一套高頻譜利用率、低功耗的解決方案。Massive MIMO是MIMO技術(shù)的拓展，其基本特征是在基站側(cè)配置大規(guī)模的天線陣列[1-3]，對(duì)信號(hào)進(jìn)行多模收發(fā)解調(diào)與處理，利用空分多址方式同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶(hù)，提升單鏈路質(zhì)量，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)鏈路性能和分集傳輸能力。此外，多天線技術(shù)能夠提升空分波束指向性，抑制干擾，降低功耗，由此也對(duì)天線陣列提出高性能、高聚合度的要求。

Massive MIMO要求天線陣列中每陣元間在時(shí)頻域相位與幅度嚴(yán)格對(duì)齊，從而保證波束增益最大化，同時(shí)抑制波束間的干擾。如圖1所示，在5G密集型組網(wǎng)場(chǎng)景下，基站間交疊復(fù)雜度比傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)更大，同一個(gè)覆蓋區(qū)域存在不同方向波束的多維覆蓋，要求分布式基站天線陣列間業(yè)務(wù)波束正交性分布。

圖1 5G密集型組網(wǎng)示意圖

5G業(yè)務(wù)特性對(duì)天線陣列通道一致性提出了嚴(yán)格要求，在頻域范疇內(nèi)要求同一業(yè)務(wù)波束內(nèi)陣元幅值相同、相位正交排列；在時(shí)域范疇內(nèi)要求波束內(nèi)快拍采樣加權(quán)前后信噪比相同，信號(hào)加權(quán)后符合波束線性分布。此外，多天線技術(shù)中也同樣定義天線校正功能，在上下行方向發(fā)送校正序列，通過(guò)空間傳輸后天線陣列接收校正序列，加權(quán)運(yùn)算后與校正序列進(jìn)行幅度、相位偏置運(yùn)算，計(jì)算結(jié)果的求逆矩陣作為天線陣列權(quán)值調(diào)整偏量[4]。通過(guò)周期閉環(huán)校正過(guò)程，調(diào)整天線陣列同波束天線權(quán)值，從而保證同波束下的陣元正交性。

傳統(tǒng)方式主要采用校正（Calibration）端口進(jìn)行連接，需要使用射頻饋纜進(jìn)行校正信號(hào)傳輸，此方式限定實(shí)際工程部署的物理傳輸距離與傳輸質(zhì)量，無(wú)法在5G密集型組網(wǎng)場(chǎng)景下進(jìn)行分布式部署。基于上述問(wèn)題，本文提出了一種高效、靈活的分布式多天線陣列聯(lián)合校正方法，結(jié)合空間譜函數(shù)估算方法以及時(shí)頻域離散卷積方法，通過(guò)調(diào)整陣列通道校正因子，保證各陣元幅相一致性。

1 分布式天線校正

1.1 天線校正原理

傳統(tǒng)天線陣列AC（Antenna Calibration）校正過(guò)程中，利用陣列校正（Calibration）端口與收發(fā)天線間發(fā)送校正序列數(shù)據(jù)，再經(jīng)由空口耦合后回傳到基帶，計(jì)算各天線接收數(shù)據(jù)間的幅相差，完成通道間幅相差異計(jì)算和補(bǔ)償。其中：Ri①表示天線陣列①第i個(gè)接收通道引入的校正序列；Ti①表示天線陣列①第i個(gè)發(fā)射通道引入的校正序列。

圖2 傳統(tǒng)多天線陣列校正模型

1.2 分布式多天線聯(lián)合校正

5G密集型組網(wǎng)場(chǎng)景下，需要一種高效、靈活、智能的分布式多天線陣列聯(lián)合校正方法，不僅能夠解除傳統(tǒng)校正方式的局限和約束，還能夠在密集型組網(wǎng)下尤其是交疊覆蓋區(qū)域有效解決干擾問(wèn)題，提升頻譜利用率。

如圖3所示，通過(guò)多天線陣列與基帶處理單元（BBU）的前傳接口進(jìn)行匯聚，匯聚節(jié)點(diǎn)部署多天線聯(lián)合校正單元（Multi Antenna Calibration Unit, eMACU）。通過(guò)BBU發(fā)起基于業(yè)務(wù)模式的多天線陣列校正動(dòng)作，指令通過(guò)前傳接口（FrontHaul）分解到eMACU，根據(jù)業(yè)務(wù)小區(qū)模式、空分波束方式、天線陣列組網(wǎng)形態(tài)以及對(duì)應(yīng)天線位圖生成業(yè)務(wù)小區(qū)校正序列，繼而通過(guò)前傳接口經(jīng)由對(duì)應(yīng)天線陣列及相應(yīng)陣元進(jìn)行空分覆蓋傳輸。

圖3 分布式多天線陣列聯(lián)合校正模型

模型中的序列模塊根據(jù)小區(qū)模式、天線位圖等信息生成每個(gè)陣元校正序列，并按照等幅等差相位排列，且每個(gè)陣元校正序列在時(shí)間域進(jìn)行間隔傳輸，從而避免空間譜重疊干擾。

當(dāng)各陣元接收到來(lái)自不同陣列、陣元的校正序列，通過(guò)前傳接口匯聚到eMACU進(jìn)行校正核對(duì)，以初始校正序列為基準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算各個(gè)陣元權(quán)值校正因子并發(fā)送到陣列進(jìn)行天線幅相調(diào)整。與此同時(shí)，針對(duì)校正序列進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練，生成性能優(yōu)化后校正序列，重新觸發(fā)聯(lián)合天線校正，從而組成自學(xué)習(xí)閉環(huán)校正系統(tǒng)。

多天線陣列聯(lián)合校正過(guò)程不同于傳統(tǒng)校正CAL互聯(lián)方法，而是采用eMACU部署在前傳接口網(wǎng)絡(luò)中，此方式能夠無(wú)縫融合于5G密集型組網(wǎng)。應(yīng)用此方法不會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)管理成本，且天線校正過(guò)程中不會(huì)影響業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延與傳輸質(zhì)量。此外，校正過(guò)程中按照小區(qū)模式、業(yè)務(wù)波束計(jì)算每個(gè)天線的校正序列，采用同幅等差相位因子，保證每個(gè)業(yè)務(wù)小區(qū)下校正序列的正交性，能有效消除小區(qū)間空分流間的干擾。校正后業(yè)務(wù)波束指向性更精準(zhǔn)，波束增益提升，邊緣區(qū)域業(yè)務(wù)體驗(yàn)改善。同時(shí)，每個(gè)業(yè)務(wù)波束下的天線可以采用分布式部署，所以具備分布式特性，適合在5G密集型組網(wǎng)場(chǎng)景下普遍應(yīng)用。

2 多天線聯(lián)合校正算法

2.1 基于譜空間函數(shù)的校正方法

本文考慮直線陣天線陣列系統(tǒng)，系統(tǒng)中共有M個(gè)陣元的天線陣列，假設(shè)各陣元的收發(fā)性能不存在外部方向性差異（外部差異通過(guò)陣列機(jī)械下傾角進(jìn)行歸一化處理）[7-8]。天線陣列第i次快拍采樣輸出信號(hào)向量表示為：

其 中：S(i)=[S1(k), S2(k), ..., SM(k)]T為 信 號(hào) 向 量 矩 陣；N(i)=[N1(k), N2(k), ..., NM(k)]T為噪聲向量矩陣；Γ=diag(1, r2, ...,rN)為不一致性矩陣，ri(i=2, 3, ..., N)表示相對(duì)第一個(gè)通道歸一化處理后的傳輸系數(shù)；A(i)=[a(θ1), a(θ2), ..., a(θM)]T為陣列相應(yīng)矩陣，因不考慮外部來(lái)波信號(hào)方向差異性，相對(duì)第一個(gè)陣元統(tǒng)一歸一化處理后可得通道 a(θi)=[1, eDj2πcos(βi), ..., eDj2πcos(βM)]T，D為入射波能量系數(shù)，βM為第i和i+1陣元相位差。

由公式（2）可得，天線陣列輸出的自協(xié)方差矩陣為：

通過(guò)特征值分解，根據(jù)譜空間DOA檢測(cè)算法可以將譜空間劃分為信號(hào)子空間Es和噪聲子空間En。當(dāng)兩個(gè)子空間正交分布時(shí)，不一致性矩陣Γ不存在，然而實(shí)際譜空間中兩者存在非正交性分布，因此通過(guò)MUSIC算法構(gòu)造譜空間函數(shù)時(shí)需要進(jìn)行不一致性修訂[9-10]，即：

本文針對(duì)上述譜空間特征函數(shù)，提出了一種針對(duì)不一致性矩陣的校正方法，具體步驟如下：

第二步，針對(duì)信號(hào)矩陣R，計(jì)算不一致性矩陣Γ。當(dāng)Γ為單位矩陣時(shí)，通過(guò)最優(yōu)代價(jià)函數(shù)Jins，求得Γi=Zi-1W/(WTZi-1W)*，而Γi-1逆陣即為校正矩陣。

第三步，利用Γi-1調(diào)整各陣元通道幅相，并利用MODE算法重新評(píng)估來(lái)波信號(hào)，根據(jù)多快拍前后差值界定算法終止條件，從而得到滿(mǎn)足條件的多陣元校正均衡結(jié)果。

2.2 基于時(shí)頻域離散性卷積的校正方法

在聯(lián)合校正過(guò)程中，并非每個(gè)天線陣列同時(shí)進(jìn)行校正，因此除了頻域權(quán)值因素，還需要考慮時(shí)域權(quán)值因素。多天線時(shí)頻域權(quán)值矩陣為：

矩陣A(i, n, x)只表示快拍采樣后聯(lián)合校正陣列時(shí)的頻域權(quán)值因子，但實(shí)際情況是天線陣列聯(lián)合校正過(guò)程中快拍采樣信號(hào)矩陣不一定對(duì)稱(chēng)分布。因此需要將時(shí)域多快怕陣元頻域信號(hào)和時(shí)域信號(hào)卷積運(yùn)算，最終得出時(shí)頻域權(quán)值因子為：

其中：Am.n為頻域因子矩陣；Ti為時(shí)域因子矩陣。為進(jìn)行時(shí)域采樣周期內(nèi)的卷積積分，最終多天線聯(lián)合校正頻域時(shí)域因子分布。通過(guò)將頻域離散因子和時(shí)域卷積合并計(jì)算，使天線校正因子得到最優(yōu)調(diào)整，從而達(dá)到波束正交性和增益最大化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

（1）邊緣區(qū)域波束增益

在密集組網(wǎng)場(chǎng)景下拉遠(yuǎn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示，可以看出：64端口業(yè)務(wù)Beam在采用多天線聯(lián)合校正后，遠(yuǎn)近端波束收益優(yōu)于傳統(tǒng)校正方法，尤其在遠(yuǎn)端覆蓋區(qū)域信噪比（SNR）小于10時(shí)，遠(yuǎn)端覆蓋區(qū)域優(yōu)勢(shì)最為明顯，近端波束收益略?xún)?yōu)于傳統(tǒng)校正方法。

圖4 64天線分布式聯(lián)合校正與傳統(tǒng)校正比較

（2）波束寬度的指向性

在64端口業(yè)務(wù)Beam下，采用1～4相位調(diào)幅方式。如圖5所示，天線陣列機(jī)械下傾7°，調(diào)整波束相位+3°、-3°，遠(yuǎn)近端主瓣波束寬度符合預(yù)期，旁瓣抑制在中近端且遠(yuǎn)端收益明顯。此外波束在拉遠(yuǎn)點(diǎn)位上發(fā)散性較小。

圖5 64天線聯(lián)合校正后波束

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了多天線幅相一致性校正的工作原理及分布式多天線聯(lián)合校正的方法，進(jìn)行了分布式多天線聯(lián)合校正以及算法設(shè)計(jì)，做出了時(shí)頻域補(bǔ)償算法的說(shuō)明與實(shí)驗(yàn)；最后對(duì)設(shè)計(jì)的模型以及算法在分布式64天線場(chǎng)景進(jìn)行了校正驗(yàn)證。本文提出的基于分布式多天線聯(lián)合校正方法，在5G密集型組網(wǎng)場(chǎng)景情況下，對(duì)于基于小區(qū)模式、空分波束方式的多天線幅相一致性可以進(jìn)行有效校正。

由于在多天線場(chǎng)景下空間譜因素以及空間傳輸?shù)倪^(guò)程非常復(fù)雜，未來(lái)可以深入開(kāi)展多維度因子的天線校正研究，提高分布式多天線校正方法的實(shí)際部署能力。