大唐移動(dòng)5G大規(guī)模多天線測(cè)試解決方案

 隨著3GPP 5G 標(biāo)準(zhǔn)NSA方案的正式發(fā)布，5G NR相關(guān)商用產(chǎn)品的開發(fā)工作已經(jīng)加快，2018年將是5G標(biāo)準(zhǔn)確定和商用產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵一年。當(dāng)前，5G正處于標(biāo)準(zhǔn)確定的關(guān)鍵階段，國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP將于今年6月份完成5G SA第一版本國際標(biāo)準(zhǔn)。我國于2016年初率先啟動(dòng)了5G研發(fā)和試驗(yàn)，目前已經(jīng)進(jìn)入第三階段研發(fā)試驗(yàn)，將推動(dòng)5G系統(tǒng)設(shè)備基本達(dá)到預(yù)商用水平。

作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，大規(guī)模多天線技術(shù)，是在基站收發(fā)信機(jī)上采用超大規(guī)模天線陣列(比如數(shù)百個(gè)天線或更多)實(shí)現(xiàn)了更大的無線數(shù)據(jù)流量和連接可靠性。相比于傳統(tǒng)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(shí)域、頻域等)提升頻譜效率和能量的利用效率;3D賦形和信道估計(jì)技術(shù)可以自適應(yīng)地調(diào)整各天線陣子的相位和功率，顯著提升系統(tǒng)的波束指向準(zhǔn)確性，將信號(hào)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(hào)的同時(shí)可以顯著降低小區(qū)內(nèi)干擾、鄰區(qū)干擾，是提升用戶信號(hào)SINR的絕佳技術(shù)。

如何評(píng)價(jià)大規(guī)模多天線技術(shù)，針對(duì)協(xié)議上有關(guān)大規(guī)模多天線技術(shù)的設(shè)計(jì)及算法，采用什么樣的測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法;怎樣衡量大規(guī)模天線系統(tǒng)整體性能，大規(guī)模量產(chǎn)時(shí)整體的系統(tǒng)怎樣驗(yàn)證;大規(guī)模天線系統(tǒng)在不同應(yīng)用部署場(chǎng)景下，各種場(chǎng)景下性能如何驗(yàn)證;都是需要從測(cè)試角度充分考慮的問題。憑借在5G技術(shù)及測(cè)試領(lǐng)域的積累和優(yōu)勢(shì)，大唐移動(dòng)在大規(guī)模多天線測(cè)試方面取得了較多的進(jìn)展。

協(xié)議設(shè)計(jì)測(cè)試

在5G NR協(xié)議中為了提高覆蓋的性能在不同的傳輸信道定義了不同的下行導(dǎo)頻，針對(duì)不同用戶使用不同的DMRS，同時(shí)定義了多種多端口CSI-RS專門用于信道質(zhì)量測(cè)量和預(yù)編碼碼本的計(jì)算。在上行信道也采用相同的思想，定義不同用戶的DMRS和多端口SRS用于信道質(zhì)量的測(cè)量和預(yù)編碼碼本的計(jì)算。天線數(shù)增多后，業(yè)務(wù)信道的覆蓋通常能滿足要求，而控制信道的能力并不會(huì)隨著天線數(shù)增多而增強(qiáng)，因此控制信道的覆蓋將會(huì)成為系統(tǒng)性能的瓶頸。在NR系統(tǒng)中，針對(duì)控制信道引入了波束掃描增強(qiáng)覆蓋的技術(shù)。在大規(guī)模多天線中，需要選擇合適的波束掃描的寬度和頻率，進(jìn)行波束管理和波束跟蹤。在不同用戶位置和信道環(huán)境下，需要驗(yàn)證基站采用何種碼本發(fā)送和接收，采用發(fā)送幾端口導(dǎo)頻才能使用戶之間干擾很小，導(dǎo)頻占用開銷盡量少，頻譜效率最優(yōu)。針對(duì)上述問題，大唐移動(dòng)提出了對(duì)應(yīng)的測(cè)試策略。

1.進(jìn)行上行導(dǎo)頻和預(yù)編碼測(cè)試，通過移相系統(tǒng)或者信道模擬系統(tǒng)，遠(yuǎn)中近點(diǎn)用戶構(gòu)造不同用戶間干擾及多徑信道對(duì)不同端口的SRS發(fā)送方案和上行預(yù)編碼版本的計(jì)算，進(jìn)行導(dǎo)頻開銷、碼本計(jì)算準(zhǔn)確性測(cè)試。

2.進(jìn)行下行導(dǎo)頻和預(yù)編碼測(cè)試，驗(yàn)證不同端口的CSI-RS發(fā)送方案和下行預(yù)編碼碼本的計(jì)算，進(jìn)行下行測(cè)量導(dǎo)頻開銷、碼本計(jì)算準(zhǔn)確性測(cè)試。

3.進(jìn)行波束掃描的測(cè)試，通過移相系統(tǒng)或者信道模擬系統(tǒng)，模擬用戶的不同位置和不同的運(yùn)動(dòng)方向，水平+垂直運(yùn)動(dòng)，確認(rèn)不同的用戶接收到理論應(yīng)該接收的波束，同時(shí)進(jìn)行覆蓋增強(qiáng)的增益的測(cè)試。

關(guān)鍵算法性能測(cè)試

在現(xiàn)有的一體化系統(tǒng)的架構(gòu)下，大規(guī)模多天線系統(tǒng)的基站研究的方向主要包括：基站天線架構(gòu)設(shè)計(jì)、物理層信號(hào)檢測(cè)、物理層信道估計(jì);MU-MIMO配對(duì)算法、用戶調(diào)度和資源分配策略等。隨著天線數(shù)的增多，大規(guī)模多天線的性能將會(huì)趨于平緩，天線趨于很多時(shí)，信道之間趨于正交，此時(shí)可以使用多用戶復(fù)用(MU-MIMO)。MU-MIMO技術(shù)的核心是信道估計(jì)和多用戶配對(duì)算法?？焖儆行У男诺罊z測(cè)與估計(jì);根據(jù)場(chǎng)景和應(yīng)用，選擇合適的多用戶配對(duì)算法進(jìn)行物理資源的調(diào)度和資源分配。針對(duì)以上這些關(guān)鍵算法的研究，需要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證測(cè)試。

首先，需要進(jìn)行天線校準(zhǔn)測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)精確波束賦形，射頻信號(hào)路徑間的相位差須小于±5°。通過使用移相器或者信道模擬器對(duì)大規(guī)模天線的所有射頻通道進(jìn)行校準(zhǔn)結(jié)果的驗(yàn)證。

其次，需要進(jìn)行干擾抑制性能測(cè)試。為了降低用戶之間的干擾，針對(duì)給每個(gè)用戶發(fā)送的賦形信號(hào)之間干擾要盡量小，基站需要進(jìn)行干擾抑制，在不同信道場(chǎng)景不同用戶位置的情況下，進(jìn)行干擾抑制的性能測(cè)試。

最后，需要多用戶配對(duì)性能測(cè)試。通過連接信道模擬器，在不同信道場(chǎng)景不同運(yùn)動(dòng)速度好中差點(diǎn)多用戶同時(shí)存在情況下，選擇合適的用戶之間進(jìn)行配對(duì)，進(jìn)行吞吐量最大化的多用戶配對(duì)性能測(cè)試。

大規(guī)模天線系統(tǒng)整體性能測(cè)試

對(duì)于大規(guī)模天線系統(tǒng)，目前普遍采用的方式是射頻單元和信號(hào)輻射單元合為一體的有源天線。對(duì)于在頻段范圍6 GHz以下的時(shí)候，波長相對(duì)較大，各射頻單元之間的間距還比較大，可以采用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)方式進(jìn)行測(cè)試，但是針對(duì)有源天線整體的測(cè)試，還是需要進(jìn)行一體化的OTA測(cè)試。對(duì)于在頻段范圍大于6 GHz的毫米波頻段，由于波長很小，各射頻單元的間距很小，同時(shí)射頻單元與輻射單元都集成在一起，不能再使用傳統(tǒng)的傳導(dǎo)方式進(jìn)行測(cè)試，只能進(jìn)行OTA測(cè)試。

通過OTA的方式進(jìn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能測(cè)試，驗(yàn)證通過空口OTA傳輸，經(jīng)過信道模擬后，在不同信道場(chǎng)景多用戶同時(shí)存在情況下，系統(tǒng)的整體業(yè)務(wù)性能，對(duì)系統(tǒng)整體性能和覆蓋不斷進(jìn)行優(yōu)化和測(cè)試驗(yàn)證。

對(duì)于大規(guī)模有源天線的生產(chǎn)測(cè)試，也主要采用OTA的方式，包括輻射測(cè)試、波束測(cè)試和收發(fā)信機(jī)功能測(cè)試，例如所有收發(fā)信機(jī)打開時(shí)的誤差矢量幅度(EVM)測(cè)量。可高效快速的驗(yàn)證產(chǎn)品是否合格，節(jié)約測(cè)試時(shí)間，節(jié)省測(cè)試成本。

不同場(chǎng)景的性能測(cè)試

大規(guī)模多天線系統(tǒng)主要的部署場(chǎng)景包括：宏覆蓋、微覆蓋和高層覆蓋。宏覆蓋場(chǎng)景基站覆蓋面積較大，用戶數(shù)多;微覆蓋場(chǎng)景主要針對(duì)熱點(diǎn)區(qū)域，比如大型賽事、演唱會(huì)、交通樞紐等用戶密集度高的區(qū)域，覆蓋面積較小，用戶密度高;高層覆蓋場(chǎng)景主要是通過位置相對(duì)較低的基站對(duì)高層樓宇提供覆蓋，用戶呈現(xiàn)3D的分布，需要基站能夠支持垂直方向的覆蓋，進(jìn)行3D的賦形。同時(shí)還會(huì)存在郊區(qū)覆蓋或其他無線回傳場(chǎng)景。

對(duì)不同部署場(chǎng)景的驗(yàn)證，在外場(chǎng)環(huán)節(jié)則可以直接通過真實(shí)組網(wǎng)進(jìn)行。而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)節(jié)主要是通過構(gòu)造不同的信道環(huán)境，模擬不同場(chǎng)景。使用信道模擬系統(tǒng)模擬基站和用戶的不同位置及角度以及傳播參數(shù)，比如選擇Uma場(chǎng)景還是Umi場(chǎng)景、是LOS還是NLOS傳播、用戶位置是呈水平分布還是水平+垂直分布等，還需要考慮用戶分布密度、運(yùn)動(dòng)速度等等。通過對(duì)不同部署場(chǎng)景的構(gòu)造，進(jìn)行不同場(chǎng)景業(yè)務(wù)性能的驗(yàn)證，達(dá)到對(duì)于外場(chǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試覆蓋。

隨著網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)演進(jìn)，天線陣子與射頻單元的深度融合，大規(guī)模有源多天線系統(tǒng)將是未來發(fā)展的主流，一體化測(cè)試和空口測(cè)試將會(huì)成為未來測(cè)試的演進(jìn)方向。未來，大唐移動(dòng)將持續(xù)發(fā)揮5G技術(shù)及測(cè)試優(yōu)勢(shì)，積極助推5G快速發(fā)展。