5G大規(guī)模天線基站下的多用戶性能測試技術(shù)

劉曉龍 魏貴明 張翔

【摘? 要】在當(dāng)前5G系統(tǒng)全球商用化的時(shí)代，針對基站大規(guī)模天線下的多用戶技術(shù)，對基站和終端進(jìn)行性能測試是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級迭代的重要環(huán)節(jié)。首先，介紹5G多用戶技術(shù)的主要特點(diǎn)并說明了多用戶性能測試的意義。其次，為了實(shí)現(xiàn)不同信道環(huán)境的大規(guī)模天線基站下的多用戶性能測試，給出多用戶無線信道建模技術(shù)。最后，通過對建立的信道模型進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，給出了大規(guī)模天線多用戶性能測試的主要技術(shù)方案和測試建議。

【關(guān)鍵詞】 5G大規(guī)模天線多用戶技術(shù);多用戶無線信道建模;多用戶性能測試

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.011? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0050-04

引用格式：劉曉龍，魏貴明，張翔. 5G大規(guī)模天線基站下的多用戶性能測試技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（4）： 50-53.

Multi-User Performance Testing for 5G Massive MIMO Base Station

LIU Xiaolong， WEI Guiming， ZHANG Xiang

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

In the current era of global commercialization of 5G system， the performance testing of base station （BS） and terminal for massive MIMO （MM） multi-user technology is an important part of iterative product upgrading. Firstly， this paper introduced the main characteristics of MM multi-user technology， and explains the significance of multiuser performance testing. Then a multi-user wireless channel modeling technology is provided to realize the performance testing of MM multi-user technology in different wireless channel environments. Finally， through the implementation of the wireless channel model， the main technical solution and suggestions are given to MM multi-user performance testing.

[Key words]5G massive MIMO multi-user technology; multi-user channel modeling; multi-user performance test

0? ?引言

隨著運(yùn)營商5G牌照的發(fā)放，2020年將成為我國大力部署5G基礎(chǔ)建設(shè)的元年。5G基站比較典型的特點(diǎn)就是引入的大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術(shù)，通過對大規(guī)模的天線陣列進(jìn)行部署，可以在無線信道環(huán)境允許的條件下，大幅提高頻譜效率，節(jié)約基站能耗，提升空間利用率。針對大規(guī)模天線技術(shù)，當(dāng)前主要的研究方向在于大規(guī)模天線點(diǎn)到點(diǎn)的前向和反向容量;單站和多站情況下的前向反向容量[1-2];TDD模式下的CSI獲取方式，避免多站之間的導(dǎo)頻污染的方法[3];編碼器和檢測器的設(shè)計(jì)[1]，綜合考慮大規(guī)模天線陣列設(shè)計(jì)等[4]。而考慮到實(shí)際系統(tǒng)和無線環(huán)境，對大規(guī)模天線基站和基站下的終端進(jìn)行性能測試更能體現(xiàn)大規(guī)模天線基站多用戶技術(shù)性能。性能測試的主要思想為，通過對待測無線信道環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)建模，并用一整套基站到終端的測試系統(tǒng)來做信道實(shí)現(xiàn)，最終完成基站和終端之間的性能指標(biāo)檢測過程。無線信道建模技術(shù)分為確定性或隨機(jī)性的建模，而隨機(jī)的方式又可分為幾何和非幾何兩大類[5];無線信道實(shí)現(xiàn)技術(shù)可分為純傳導(dǎo)法、無線傳導(dǎo)法、微波暗室法以及混響室法[6]。不難發(fā)現(xiàn)，目前針對5G性能測試的研究驗(yàn)證大多集中于單用戶的情況，而關(guān)于大規(guī)模天線技術(shù)下的多用戶性能測試的研究卻很少。首先對大規(guī)模天線多用戶技術(shù)進(jìn)行簡介，隨后提出一種新的多用戶性能測試方案，實(shí)現(xiàn)5G大規(guī)模天線基站側(cè)或5G終端側(cè)的測試。內(nèi)容包括建立了全新的多用戶無線信道模型，并通過合理化的設(shè)計(jì)測試系統(tǒng)，達(dá)到準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)無線信道環(huán)境，降低測試復(fù)雜度和節(jié)約成本的目標(biāo)。

1? ?大規(guī)模天線多用戶技術(shù)簡介

針對大規(guī)模天線技術(shù)，現(xiàn)有5G協(xié)議規(guī)范中明確了物理層數(shù)據(jù)流從碼字到邏輯端口的映射的框架。在R15版本中，單站最大支持12層的傳輸，參考信號的邏輯端口最大數(shù)量為32個(gè)[7-8]。再通過邏輯端口映射到物理端口，最后再由物理端口映射到實(shí)際的大規(guī)模天線陣子完成數(shù)據(jù)流傳輸。終端側(cè)目前最大支持4層，其整個(gè)發(fā)送流程與4G系統(tǒng)的前向鏈路相似。

大規(guī)模天線技術(shù)通過在發(fā)端設(shè)置大規(guī)模的天線數(shù)來進(jìn)行多用戶的空間復(fù)用，可以大幅提升網(wǎng)絡(luò)的速率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)端天線數(shù)遠(yuǎn)大于接收天線數(shù)，如果信道環(huán)境符合隨機(jī)矩陣特性，各個(gè)用戶的信道將會漸進(jìn)正交，無線信道中的小尺度衰落部分的影響可以忽略不計(jì)[1]。這一特點(diǎn)充分說明大規(guī)模天線多用戶技術(shù)擁有非常強(qiáng)的抗衰落能力。此外，由于大規(guī)模天線技術(shù)可以進(jìn)行數(shù)字或模擬域的波束賦型，可以將發(fā)射功率集中在很窄的波束范圍內(nèi)，在提升系統(tǒng)能效的同時(shí)，也避免了不必要的干擾。

影響多用戶技術(shù)的因素主要為以下幾點(diǎn)。首先，由于5G實(shí)際系統(tǒng)的天線陣子數(shù)受硬件設(shè)計(jì)的約束，很難真正意義上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于終端的假設(shè)。加上實(shí)際無線信道環(huán)境很可能并不符合隨機(jī)矩陣的特性，這樣一來，信道小尺度部分所帶來的衰落影響不再變得微乎其微。尤其是在擁有強(qiáng)直射徑的情況下，大規(guī)模天線技術(shù)的優(yōu)勢往往很難被發(fā)揮出來[1]。其次，大規(guī)模天線多用戶技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于發(fā)端編碼器和終端檢測器的設(shè)計(jì)，而編碼器和檢測器所能達(dá)到的極限又被CSI獲取程度所影響。二者最終的實(shí)際表現(xiàn)會受到協(xié)議規(guī)范和實(shí)際收發(fā)機(jī)算法實(shí)現(xiàn)的共同影響。此外，由于大規(guī)模天線多用戶技術(shù)在空域擁有更窄的波束，如何使得在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境下快速準(zhǔn)確地維持多個(gè)收發(fā)端波束對鏈路（BPL），這將是5G大規(guī)模多用戶技術(shù)波束管理需要面對的主要問題。

為了實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模天線多用戶的性能進(jìn)行檢測，需要一個(gè)穩(wěn)定可靠的多用戶技術(shù)性能測試方案，該方案的最終測試結(jié)果能對技術(shù)本身和影響技術(shù)性能的因素進(jìn)行定量分析，并且需要具備很高的可控性與可復(fù)現(xiàn)性。考慮上述影響多用戶技術(shù)因素，只有無線信道環(huán)境是客觀的，其余因素均是5G系統(tǒng)協(xié)議或產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)引起的。因此，測試方案中，重點(diǎn)應(yīng)該具備實(shí)現(xiàn)5G大規(guī)模天線多用戶無線信道建模的能力，并通過對建模的信道進(jìn)行實(shí)現(xiàn)完成相應(yīng)的技術(shù)測試，最終推進(jìn)5G無線產(chǎn)品和5G協(xié)議在大規(guī)模天線多用戶技術(shù)上的升級。本文提出的大規(guī)模天線多用戶性能測試技術(shù)主要包括兩個(gè)部分，它們分別是多用戶無線信道建模技術(shù)，和基于無線信道建模后的信道實(shí)現(xiàn)測試方案。

2? ? 多用戶無線信道建模技術(shù)

目前工業(yè)界最常用的無線信道建模方法為基于幾何的隨機(jī)信道建模方法，簇時(shí)延線（CDL）模型得到業(yè)界充分認(rèn)可[9]。該模型可以實(shí)現(xiàn)3D無線信道建模，建模最后的時(shí)域信道沖擊響應(yīng)為：

（1）

其中，Hu，sNLOS為模型中的非視距傳播（NLOS）部分的信道沖擊響應(yīng)，它由各個(gè)不同時(shí)延下的簇信道矩陣組合而成。而矩陣Hu，sLOS為視距（LOS）直射徑的信道沖擊響應(yīng)。針對多用戶技術(shù)下的無線信道建模重點(diǎn)是在于對原有基礎(chǔ)上的單用戶模型進(jìn)行多用戶的拓展，具體過程如下：

首先，應(yīng)根據(jù)多用戶與基站之間的擺放位置確定建模中所需要調(diào)整的角度，對實(shí)際模型中的離開角和到達(dá)角進(jìn)行角度偏轉(zhuǎn)，變換后的角度為：

φn，scaled=（φn，model- μφ，model）+ μφ，desired （2）

其中，φn，model為變換前模型中的子徑角度參數(shù)，變量μn，desired為需要變更后的子徑角度參數(shù)，變量μn，model為原有模型中各簇子徑上功率加權(quán)平均角度，具體過程可以描述為：

μφ，model=arg? ? ? ? （3）

其中，φn，m為子徑的弧度角，變量Pn，m為子徑的功率。

其次，為了保證能準(zhǔn)確模擬多用戶間不同位置的差異性，需要根據(jù)每個(gè)用戶遠(yuǎn)場和近場的通信條件設(shè)立終端天線陣子坐標(biāo)，遠(yuǎn)場設(shè)立獨(dú)立坐標(biāo)系，近場采用統(tǒng)一坐標(biāo)系。將角度變換所得到的離開角、到達(dá)角、用戶坐標(biāo)帶入式（1）中，即可得到每條鏈路上基站到多用戶間的整體無線信道模型，最后依據(jù)實(shí)際情況，通過平面波或球面波理論進(jìn)行大規(guī)模天線模型的生成。

3? ?信道實(shí)現(xiàn)測試方案

5G大規(guī)模天線多用戶的測試方案主要指的是：根據(jù)多用戶無線信道模型進(jìn)行信道實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建從基站到5G多終端之間的鏈路系統(tǒng)。由于基站側(cè)最大支持12層，終端側(cè)最大支持4層，為了充分測試大規(guī)模天線下基站和多用戶終端的性能，在相同的時(shí)頻資源上可同時(shí)對3個(gè)終端進(jìn)行測試。本節(jié)給出多用戶性能測試方案，并針對基站或終端分別給出相應(yīng)的測試建議。

3.1? 多用戶性能測試方案

關(guān)于大規(guī)模天線多用戶技術(shù)性能的測試，重點(diǎn)需要關(guān)注多用戶技術(shù)鏈路的性能。由于大規(guī)模天線是在5G基站側(cè)進(jìn)行部署，整個(gè)測試更傾向于測試基站側(cè)的性能，終端側(cè)僅需要考慮不同終端的信道估計(jì)算法，編碼器和檢測器設(shè)計(jì)對性能的影響。基于多探頭暗室的測試方法在單用戶終端的測試中很常見，不同于多用戶，單用戶的測試重點(diǎn)為終端射頻端的設(shè)計(jì)與天線結(jié)構(gòu)。多用戶時(shí)考慮暗室建造成本問題，終端側(cè)建議直接采用傳導(dǎo)的方式。

測試多用戶下的峰值時(shí)，需要為每個(gè)用戶選定兩個(gè)無干擾的雙極化波束位置，根據(jù)波束位置來實(shí)現(xiàn)4層的信道Hpeak，可以通過調(diào)相網(wǎng)絡(luò)設(shè)置虛擬探頭位置來實(shí)現(xiàn)，或通過在基站側(cè)暗室中設(shè)立實(shí)際的接收探頭來實(shí)現(xiàn)，如圖1和圖2。峰值測試的主要指標(biāo)為小區(qū)總吞吐量或用戶平均吞吐量。

針對衰落信道測試，由于當(dāng)前主流的測試儀表資源端口數(shù)量有限，儀表組合最大可支持雙向256條鏈路的測試，因此整個(gè)測試系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)64×12即768條鏈路的模擬。為了解決問題，需要根據(jù)建立的多用戶無線信道模型，為每個(gè)用戶選擇最主要的波束位置，波束位置對應(yīng)虛擬或?qū)嶋H探頭的擺放位置，通過調(diào)相網(wǎng)絡(luò)或微波暗室進(jìn)行信道降維。最后每個(gè)用戶在調(diào)相網(wǎng)絡(luò)或微波暗室的出口處各占4個(gè)端口。3個(gè)用戶共計(jì)12個(gè)端口，通過后續(xù)接信道模擬器來實(shí)現(xiàn)衰落信道的相關(guān)測試。其中每個(gè)用戶所對應(yīng)的無線信道是調(diào)相網(wǎng)絡(luò)或微波暗室中的信道HPSB和信道模擬器中的信道HCE二者的卷積。測試連接圖如圖3和圖4所示：

3.2? 多用戶基站性能測試

基站側(cè)的測試重點(diǎn)為前向鏈路的編碼器設(shè)計(jì)、反向鏈路的檢測器設(shè)計(jì)、基站的資源分配能力以及波束賦型和波束管理情況。表1給出基站側(cè)多用戶性能測試能力。

3.3? 多用戶終端性能測試

類似地，終端側(cè)重點(diǎn)測試終端前向鏈路的編碼器設(shè)計(jì)、反向鏈路的檢測器設(shè)計(jì)、終端部分帶寬（BWP）能力以及波束賦型和波束管理情況。終端側(cè)的多用戶性能測試能力如表2所述：

4? ?結(jié)束語

大規(guī)模天線技術(shù)下的多用戶場景是5G蜂窩系統(tǒng)中的主要組成部分。文章提出了一種以多用戶無線信道建模為理論基礎(chǔ)，多用戶測試系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)方法的5G大規(guī)模天線多用戶測試技術(shù)方案，并分別針對基站側(cè)和終端側(cè)給出了相應(yīng)的測試建議。由于現(xiàn)階段信道模擬器儀表的端口數(shù)量受限，未來將重點(diǎn)研究方案中多用戶虛擬或?qū)嶋H探頭位置的最優(yōu)化選取以及如何在最少的信道信息損失條件下實(shí)現(xiàn)信道降維。

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作者簡介

劉曉龍（orcid.org/0000-0002-4986-5916）：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模天線技術(shù)，全雙工無線技術(shù)，自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù)，無線產(chǎn)品的性能測試與標(biāo)準(zhǔn)化，已在國內(nèi)外期刊和會議上發(fā)表論文10余篇，申請國內(nèi)外發(fā)明專利3項(xiàng)。

魏貴明：現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)所無線與移動(dòng)研究部主任，曾兼任TD-SCDMA專家組辦公室主任、TD-LTE工作組辦公室主任，長期從事移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等研究工作。

張翔：博士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所主任工程師，主持多項(xiàng)國家科技重大專項(xiàng)科研項(xiàng)目，主要研究方向?yàn)榇笠?guī)模天線技術(shù)，5G OTA測試方法，基站和終端的射頻與性能測試技術(shù)，已在國際期刊和會議上發(fā)表SCI、EI論文30余篇，申請發(fā)明專利20余項(xiàng)。