Massive-MIMO大規模天線技術概述與測試方法

【摘? 要】為更好地評估天線技術的演進給5G網絡帶來的增益，探索有源天線的新型測試方法，首先簡述了大規模天線的技術原理和最新協議進展，分析了大規模天線應用的技術挑戰，并針對5G導頻設計與信道估計方法、數/模波束賦型架構以及一體化有源天線測試方法等問題進行了詳細的分析和研究。

【關鍵詞】大規模天線;波束賦形;OTA測試

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

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：魏垚. Massive-MIMO大規模天線技術概述與測試方法[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

5G系統引入大規模天線是因為隨著無線通信系統物理層技術的進步，LTE系統的系統容量已經逼近香農極限，難以再進行更深度的挖掘，5G頻譜效率和系統容量的突破需另辟蹊徑。從頻域和時域，甚至碼域的角度沒有大的提升，5G將目光轉向空間復用。大規模天線（Massive-MIMO）概念是在2010年由貝爾實驗室的Thomas L Marzetta首次提出[1]，通過基站側布置大規模陣列天線，將發射能量集中，將波束賦型在更窄的方向上，在空間中每個波束相對獨立，實現空間域維度的資源復用。理論假設當天線數遠遠大于用戶終端數時，多用戶傳輸信道趨于正交，實現頻譜資源復用，能夠數倍提高小區容量和頻譜效率[2]。

MIMO技術在3GPP LTE早期版本已經出現，隨著容量需求和技術的發展，天線數隨版本演進不斷增多，16天線可以認為是進入多天線“大規?！钡拈T檻。標準進展如圖1所示，為了實現全維發射，Rel-12中首先完成了針對6 GHz以下頻段的3D化的信道及應用場景建模工作，通過球面體傳播模型替代傳統的平面傳播模型，垂直維度的波束能夠實現高樓覆蓋，擴展了多天線的應用場景。緊接著Rel-13中，3GPP定義了能夠支持最多16個端口的FD-MIMO方案。Rel-14對6～100 GHz頻段的信道和應用場景進行了建模，同時提出了支持32個端口的eFD-MIMO，支持非周期的CSI-RS和上行DM-RS增強。2017年3月3GPP RAN #75次全會正式開啟了Rel-15版本的5G標準制定，并在RAN1的物理層新空口立項中針對大規模天線技術細節開展工作，包括多天線方案、波束管理、CSI獲取、參考信號設計和QCI等[3]。

多天線技術在4G系統中得到了廣泛的應用，但是隨著天數數量的增加、天線設備的一體化等新的變化，大規模天線的引入和應用將面臨眾多挑戰。天線數量急劇增加，會帶來傳統系統設計上的問題如系統開銷，下行方向會隨著基站的天線數量的增加而呈接近于線性增加的趨勢，上行方向則因為需要正交的導頻資源，當同時在線的用戶數量增加而線性增長。因此，5G NR的新導頻如何設計是一個挑戰。大規模天線雖然在高頻通信場景中體積做得極小，但多通道的基帶處理單元和功放設備的成本問題不可忽視，數字波束賦形和模擬波束賦形如何在高頻通信環境中取得折中極具挑戰。一體化有源天線已成為5G天線形態的主要趨勢，其“一體化”和“有源”的特性使傳統測試方法測試指標具有局限性，一種OTA的測試方法已逐漸成為未來有源天線測試的主要趨勢。論文分別就以上挑戰一一進行了詳細的描述和分析，并就業界目前的解決方案和部分已經被5G標準化的重要結論進行了分析說明，最后在文末進行重要結論的總結。

1? ?導頻設計與信道估計方法

4G系統中的CRS是小區級的，主要負責的功能包括三個：（1）小區級信號強度和質量反饋，用于系統切換的判決依據;（2）信道狀態指示反饋，系統調度的依據;（3）下行相位和幅度估計，用于下行信道的相干解調。這三個功能對導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量的參考信號（CSI-RS）和用于解調數據的參考信號（DM-RS），同時為了兼顧舊終端，CRS依然肩負起小區級信道強度和質量反饋的功能而被保留下來。

然而，5G系統如果延用4G的導頻設計思路，無論上下行導頻開銷都會因天線數量的增加而陡增，導致系統沒有多余的時頻資源用于傳輸數據。因此，在R15的標準設計中，5G NR新空口做了新的調整和變化，包括支持四種參考信號：解調參考信號DMRS，相位追蹤參考信號PTRS，測量參考信號SRS和信道狀態信息參考信號CSI-RS。R15的NR參考信號主要變化和原因包括：

（1）NR取消了CRS參考信號，傳統的小區級測量RSRP和RSRQ信號將變為波束級的，這部分功能由PSS、SSS和PBCH組成的SS block和CSI-RS的測量來實現，空閑態重選基于SS block的測量，激活態切換基于SS block和CSI-RS的測量。

（2）DMRS則維持對控制信道和業務信道的相干解調，僅僅在需要時才發送。

（3）PTRS是NR新引入的參考信號，是為了消除高頻段的5G系統的相位噪聲。隨著振蕩器載波頻率的上升，相位噪聲也會增大，會導致不同時域OFDM符號上的所有子載波產生相位旋轉，因此需要設計一個比DMRS在頻域具有更低密度而在時域具有更高密度的RS進行測量。PTRS具體時頻位置還在3GPP討論中。

（4）SRS是基站用來估計信道狀態（CSI）以支持上行信道相關的調度和鏈路自適應的（MCS）。NR的SRS設計將基于傳統LTE的SRS設計，并進行了增強，SRS可能將會有模塊化的、靈活的設計，以支持不同的流程以及用戶終端能力，為了實現更好測量精度和效果以用于波束管理。

OTA測試能夠對設備的整機性能進行測試，能夠更真實地反映設備的實際性能，因此OTA測試是AAS設備測試的發展方向，特別對于Massive MIMO相關的性能測試。但是OTA測試相對于傳統的傳導測試，需要在微波暗室進行。對于無線設備測試需要的微波暗室空間較大，測試費用昂貴。另外采用OTA測試信號經過空間耦合，被測設備到測試接收天線間的路徑損耗會降低測試系統的靈敏度和準確性。

4? ? 結束語

大規模天線因具備提升系統容量、頻譜效率、用戶體驗速率、增強全維覆蓋和節約能耗等諸多優點而被認為是5G最具潛力的無線網關鍵技術。現階段，大規模天線技術的發展和應用還需要解決諸多挑戰，但無論從學術理論上還是從標準制定方面已經有了解決方案。5G NR重新設計了導頻和信道估計方法以適應大規模天線的多波束和全維的特點，數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/?；旌喜ㄊx形在高頻大帶寬場景更具應用前景，傳統的天線測試方法已經不適應一體化有源天線的測試，OTA測試是未來大規模天線測試的主要方向。

參考文獻：

[1]? ? ?T L M. Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2010，9（11）： 3590–3600.

[2]? ? T L N. Keynote talk #1： 5G： From MIMO to massive MIMO[C]//IEEE Information and Computer Science （NICS）， National Foundation for Science and Technology Development Conference. IEEE， 2016.

[3]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.801 V1.0.0： Study on New Radio Access Technology; Radio Access Architecture and Interfaces （Release 14）[S]. 2016.

[4]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.802 V14.0.0： Study on New Radio Access Technology Physical Layer Aspects （Release 14）[S]. 2016.

[5]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.803 V14.0.0： Study on New Radio Access Technology， RF and co-existence aspects （Release 14）[S]. 2016.

[6]? ? 3GPP. 3GPP TS 38.300 V1.0.1： NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2 （Release 15）[S]. 2017.

[7]? ? 3GPP. 3GPP TR 38.211 V1.0.0： Physical channels and modulation （Release 15）[S]. 2017.

[8]? ? J Y， K H W， M R. Radiated two-stage MIMO OTA test method progress for antenna performance evaluation[C]//IEEE Electromagnetic Compatibility （APEMC）， Asia-Pacific International Symposium. IEEE， 2016.

[9]? ? P S Kl. Preparing for GBit/s coverage in 5G： Massive MIMO，PMC packaging by gap waveguides， OTA testing in random-LOS[C]//IEEE Antennas & Propagation Conference （LAPC）. IEEE， 2015.

[10]? ? M R， K H W， J Y. Practical active antenna evaluation using the two-stage MIMO OTA measurement method[C]//IEEE Antennas and Propagation （EuCAP）， European Conference. IEEE， 2014.

基金項目：國家重大科技專項“5G高速連續廣域覆蓋技術方案與試驗系統研發”（2016ZX03001009）;增強移動寬帶5G系統概念樣機研發（2017ZX03001001）

收稿日期：2017-09-01