5G Massive MIMO系統(tǒng)架構(gòu)及測試技術(shù)

1、引言

Massive MIMO（大規(guī)模天線）技術(shù)是4.5G/5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，全球通信業(yè)者對Massive MIMO技術(shù)都非常關(guān)注。中國移動和日本軟銀已經(jīng)開展了TD-LTE Massive MIMO技術(shù)。中國聯(lián)通、中國電信、Telkomsel等運(yùn)營商完成了FDD Massive MIMO外場測試。我國5G第一階段試驗中Massive MIMO被作為關(guān)鍵技術(shù)，且有華為、中興、愛立信等5家廠商參與試驗。3GPP從R13版本開始已經(jīng)將支持Massive MIMO作為重要特性之一。

Massive MIMO技術(shù)，在基站收發(fā)信機(jī)上使用大數(shù)量（如64/128/256等）的陣列天線實現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。相比于以前的單/雙極化天線及4/8通道天線，大規(guī)模天線技術(shù)能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域等）提升頻譜和能量的利用效率；3D賦形和信道預(yù)估技術(shù)可以自適應(yīng)地調(diào)整各天線陣子的相位和功率，顯著提高系統(tǒng)的波束指向準(zhǔn)確性，將信號強(qiáng)度集中于特定指向區(qū)域和特定用戶群，在增強(qiáng)用戶信號的同時可以顯著降低小區(qū)內(nèi)自干擾、鄰區(qū)干擾，是提升用戶信號載干比的絕佳技術(shù)。

如何評價Massive MIMO技術(shù)，采用什么樣的測試指標(biāo)和測試方法，怎樣公平且高效的衡量Massive MIMO技術(shù)？這也是當(dāng)前通信科技業(yè)者十分關(guān)心問題。

2、Massive MIMO系統(tǒng)架構(gòu)

支持Massive MIMO的有源天線基站架構(gòu)以三個主要功能模塊為代表：射頻收發(fā)單元陣列，射頻分配網(wǎng)絡(luò)和多天線陣列。

射頻收發(fā)單元陣列包含多個發(fā)射單元和接收單元。發(fā)射單元獲得基帶輸入并提供射頻發(fā)送輸出，射頻發(fā)送輸出將通過射頻分配網(wǎng)絡(luò)分配到天線陣列，接收單元執(zhí)行與發(fā)射單元操作相反的工作。RDN將輸出信號分配到相應(yīng)天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號分配到相反的方向。

RDN可包括在發(fā)射單元（或接收單元）和無源天線陣列之間簡單的一對一的映射。在這種情況下，射頻分配網(wǎng)絡(luò)將是一個邏輯實體但未必是一個物理實體。

天線陣列可包括各種實現(xiàn)和配置，如極化、空間分離等。

射頻收發(fā)單元陣列、射頻分配網(wǎng)絡(luò)和天線陣列的物理位置有可能不同于下圖邏輯表示，取決于實現(xiàn)。

圖1、支持Massive MIMO的有源天線基站架構(gòu)

3、Massive MIMO測試技術(shù)

3.1、天線系統(tǒng)的演進(jìn)對測試技術(shù)的挑戰(zhàn)

隨著天線系統(tǒng)向現(xiàn)代化的發(fā)展，尤其是5G的演進(jìn)，一體化的基站有源天線系統(tǒng)（AAS）形態(tài)逐漸成為主流，通道數(shù)越來越多，有源天線連接方式也會簡化，RU和天線高度集成，射頻指標(biāo)不再局限于傳統(tǒng)的RU傳導(dǎo)測試，OTA測試將成為未來測試演進(jìn)的方向，同時也將帶來極大的測試挑戰(zhàn)。

表1、天線系統(tǒng)的演進(jìn)對測試技術(shù)的挑戰(zhàn)

天線系統(tǒng)類型天線系統(tǒng)特點(diǎn)測試方式是否支持
傳導(dǎo)測試測試挑戰(zhàn)RRU+天線1、天線與RRU相互分離，天線與基站的設(shè)計制造可相對獨(dú)立；
2、RF性能要求在基站天線端口定義，通過標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行傳導(dǎo)RF測試；
3、未考慮天線對RF性能的影響
4、天線作為網(wǎng)絡(luò)配套設(shè)備，主要考察Pattern和電路性能。RRU和天線
獨(dú)立測試是成熟基站型態(tài)，測試技術(shù)成熟，無挑戰(zhàn)。一體化
有源天線1、天線和RRU一體化集成，非標(biāo)準(zhǔn)接口連接，天線設(shè)計需要與RF模塊設(shè)計同步；
2、天線口較少，RF性能要求可在天線口定義，測試比較繁瑣；
3、主要指標(biāo)傳導(dǎo)測試，增加部分OTA測試。一體化測試+
分體測試是，
接口非標(biāo)準(zhǔn)1、傳導(dǎo)測試接口非標(biāo)準(zhǔn)，RRU RF指標(biāo)無法反映一體化有源天線的性能；
2、部分需要OTA測試，測試標(biāo)準(zhǔn)需進(jìn)一步明確。Massive MIMO天線1、天線與基站深度融合，傳統(tǒng)的部件獨(dú)立測試存在挑戰(zhàn)；
2、大規(guī)模的天線及射頻通道；
3、3GPP提出了RF指標(biāo)OTA測試標(biāo)準(zhǔn)。整機(jī)測試成為主流取決整機(jī)設(shè)計主流的整機(jī)設(shè)計將難以拆卸，存在無對外RF接口形態(tài)，需要依賴大量OTA測試，測試標(biāo)準(zhǔn)正在討論中。

3.2、測試信號調(diào)制化

圖2、測試信號調(diào)制

有源天線工作在各種業(yè)務(wù)載波狀態(tài)下實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為真實測試有源天線性能，測試系統(tǒng)需要具備以下測試能力：

1、測試系統(tǒng)需求支持業(yè)務(wù)信號的幅度、相位測試。尤其是存在的大帶寬信號測試；

2、方向圖測試信號模式需要討論定義。

3.3、天線波束多樣化

圖3、Massive MIMO天線網(wǎng)絡(luò)覆蓋示意圖

在天線波束輻射特性趨于復(fù)雜場景下：

1：如何準(zhǔn)確評估天線業(yè)務(wù)波束指向準(zhǔn)確性、副瓣、波瓣寬度等；
2：如何選擇多波束的測試場景；
3：多波束天線的測試效率問題；
4：對于多波束如何通過二維的輻射特性，評估覆蓋性能。

測試建議：

1：需要評估在兩個主面下，有源天線尤其是Massive MIMO天線指標(biāo)要求；需要研究定義3D輻射指標(biāo)要求；
2：在真實業(yè)務(wù)信號下評估多波束輻射性能，建立測試Case集。

3.4、通信天線頻段高頻化

高頻（毫米波）覆蓋一直屬于業(yè)界難題，而Massive MIMO能很好解決該問題。其作為5G的擴(kuò)展頻段，提供容量保障。

在同等數(shù)量天線單元情況下，頻率越高，覆蓋距離越短。高頻率的毫米波在覆蓋上有著天然的劣勢，然而，理論上這可以通過增加天線數(shù)量來補(bǔ)償。隨著頻段的上升，要想達(dá)到相同的覆蓋距離，就需要增加天線單元數(shù)量，這意味著天線成本的上升。所以，降低天線成本成又為5G 多天線技術(shù)的關(guān)鍵問題之一。

高頻Massive MIMO天線作為5G演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)之一，幾個關(guān)鍵特征：高頻率、大帶寬、超大規(guī)模陣列天線。

這些關(guān)鍵特征對測試提出新的述求：

a) 高頻天線輻射指標(biāo)重新分析定義；
b) 測試場地和儀器需支持大口徑超高頻天線的測試，尤其是OTA特性的測試；
c) 測試儀表需要支持超高頻、超寬帶信號的測試。

3.5、射頻指標(biāo)測試空口化

隨著天線一體化發(fā)展，尤其是Massive MIMO天線，RF傳導(dǎo)射頻指標(biāo)帶有輻射方向性，并且通道數(shù)量大。如何進(jìn)行射頻指標(biāo)的測試是目前遇到的一個巨大挑戰(zhàn)。目前均未清晰的技術(shù)途徑，3GPP標(biāo)準(zhǔn)上也在技術(shù)研討中。目前方向之一是進(jìn)行空口測試，但如何對這些射頻指標(biāo)空口性能進(jìn)行定義，如何進(jìn)行測試均是目前業(yè)界的難題。

目前射頻指標(biāo)空口測試，3gpp R13標(biāo)準(zhǔn)明確定義EIRP和EIS，其他空口指標(biāo)已經(jīng)在最近的RAN 計劃的R14標(biāo)準(zhǔn)中立項分析。目前該部分內(nèi)容目前非常復(fù)雜，各方都在研究當(dāng)中，暫無明確結(jié)論如何對這些射頻指標(biāo)進(jìn)行空口測試。

目前主要分為兩部分：

a) 帶內(nèi)指標(biāo)---目前來看，如果天線性能已知，可以通過OTA現(xiàn)有測試方案進(jìn)行評估。
b) 帶外指標(biāo)---天線帶外性能未知，且?guī)夥浅挼念l點(diǎn)對空口測試是一個巨大挑戰(zhàn)！

3.6、3D波束賦形特性

建立在精確信道估計的3D-beamforming，以傳統(tǒng)的多個2D截面描述波束特性可能存在局限性。如下圖所示，從傳統(tǒng)E面和H面的切割并無法體現(xiàn)波束副瓣分布特性。而且Massive MIMO天線的業(yè)務(wù)波束是隨用戶在變化，則遍歷測試所有波束場景幾乎不可能。實際測試建議選擇典型業(yè)務(wù)場景進(jìn)行測試。

Massive MIMO天線相對于傳統(tǒng)天線覆蓋，業(yè)務(wù)波束可能會更窄，其指向的準(zhǔn)確性直接影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。因此其業(yè)務(wù)波束指向的準(zhǔn)確性測試尤其重要。

每一個天線陣列能分裂出幾個波束也成為Massive MIMO網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能的重要指標(biāo)，在這幾個波束覆蓋下的用戶能實現(xiàn)的吞吐量如何也需要成為評估的一部分。

圖4、波束賦形特性

4、總結(jié)

隨著網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)，天線與射頻模塊將深度融合，Massive MIMO有源天線將是未來天線的發(fā)展主流。一體化測試和空口測試可能成為未來測試的演進(jìn)方向。

相比于傳統(tǒng)天線和射頻測試方法，測試指標(biāo)以及評價體系，測試原理和方法、測試平臺等都遭遇重大挑戰(zhàn)，這些可能是移動通信系統(tǒng)天饋網(wǎng)絡(luò)前所未有的重大革新，亟待我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>