5G Massive MIMO系統(tǒng)架構(gòu)及測(cè)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(duì)Massive MIMO技術(shù)都非常關(guān)注。中國(guó)移動(dòng)和日本軟銀已經(jīng)開展了TD-LTE Massive MIMO技術(shù)。中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信、Telkomsel等運(yùn)營(yíng)商完成了FDD Massive MIMO外場(chǎng)測(cè)試。我國(guó)5G第一階段試驗(yàn)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(yàn)。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(shí)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(shí)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(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)自干擾、鄰區(qū)干擾，是提升用戶信號(hào)載干比的絕佳技術(shù)。

如何評(píng)價(jià)Massive MIMO技術(shù)，采用什么樣的測(cè)試指標(biāo)和測(cè)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(gè)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(gè)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(hào)分配到相應(yīng)天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號(hào)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(jiǎn)單的一對(duì)一的映射。在這種情況下，射頻分配網(wǎng)絡(luò)將是一個(gè)邏輯實(shí)體但未必是一個(gè)物理實(shí)體。

天線陣列可包括各種實(shí)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(shí)現(xiàn)。

圖1、支持Massive MIMO的有源天線基站架構(gòu)

3、Massive MIMO測(cè)試技術(shù)

3.1、天線系統(tǒng)的演進(jìn)對(duì)測(cè)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(huì)簡(jiǎn)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(cè)試，OTA測(cè)試將成為未來測(cè)試演進(jìn)的方向，同時(shí)也將帶來極大的測(cè)試挑戰(zhàn)。

表1、天線系統(tǒng)的演進(jìn)對(duì)測(cè)試技術(shù)的挑戰(zhàn)

天線系統(tǒng)類型天線系統(tǒng)特點(diǎn)測(cè)試方式是否支持
傳導(dǎo)測(cè)試測(cè)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(jì)制造可相對(duì)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(cè)試；
3、未考慮天線對(duì)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(cè)試是成熟基站型態(tài)，測(cè)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(jì)需要與RF模塊設(shè)計(jì)同步；
2、天線口較少，RF性能要求可在天線口定義，測(cè)試比較繁瑣；
3、主要指標(biāo)傳導(dǎo)測(cè)試，增加部分OTA測(cè)試。一體化測(cè)試+
分體測(cè)試是，
接口非標(biāo)準(zhǔn)1、傳導(dǎo)測(cè)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(cè)試，測(cè)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(cè)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(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。整機(jī)測(cè)試成為主流取決整機(jī)設(shè)計(jì)主流的整機(jī)設(shè)計(jì)將難以拆卸，存在無對(duì)外RF接口形態(tài)，需要依賴大量OTA測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)正在討論中。

3.2、測(cè)試信號(hào)調(diào)制化

圖2、測(cè)試信號(hào)調(diào)制

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

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

2、方向圖測(cè)試信號(hào)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(chǎng)景下：

1：如何準(zhǔn)確評(píng)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(cè)試場(chǎng)景；
3：多波束天線的測(cè)試效率問題；
4：對(duì)于多波束如何通過二維的輻射特性，評(píng)估覆蓋性能。

測(cè)試建議：

1：需要評(píng)估在兩個(gè)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(shí)業(yè)務(wù)信號(hào)下評(píng)估多波束輻射性能，建立測(cè)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(shì)，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(gè)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(duì)測(cè)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(cè)試場(chǎng)地和儀器需支持大口徑超高頻天線的測(cè)試，尤其是OTA特性的測(cè)試；
c) 測(cè)試儀表需要支持超高頻、超寬帶信號(hào)的測(cè)試。

3.5、射頻指標(biāo)測(cè)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(cè)試是目前遇到的一個(gè)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(cè)試，但如何對(duì)這些射頻指標(biāo)空口性能進(jìn)行定義，如何進(jìn)行測(cè)試均是目前業(yè)界的難題。

目前射頻指標(biāo)空口測(cè)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(jì)劃的R14標(biāo)準(zhǔn)中立項(xiàng)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(duì)這些射頻指標(biāo)進(jìn)行空口測(cè)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(cè)試方案進(jìn)行評(píng)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(duì)空口測(cè)試是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)！

3.6、3D波束賦形特性

建立在精確信道估計(jì)的3D-beamforming，以傳統(tǒng)的多個(gè)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(cè)試所有波束場(chǎng)景幾乎不可能。實(shí)際測(cè)試建議選擇典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試。

Massive MIMO天線相對(duì)于傳統(tǒng)天線覆蓋，業(yè)務(wù)波束可能會(huì)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(cè)試尤其重要。

每一個(gè)天線陣列能分裂出幾個(gè)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(gè)波束覆蓋下的用戶能實(shí)現(xiàn)的吞吐量如何也需要成為評(píng)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(cè)試和空口測(cè)試可能成為未來測(cè)試的演進(jìn)方向。

相比于傳統(tǒng)天線和射頻測(cè)試方法，測(cè)試指標(biāo)以及評(píng)價(jià)體系，測(cè)試原理和方法、測(cè)試平臺(tái)等都遭遇重大挑戰(zhàn)，這些可能是移動(dòng)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>