大唐移動(dòng)5G大規(guī)模多天線測試解決方案

 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(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SINR的絕佳技術(shù)。

如何評價(jià)大規(guī)模多天線技術(shù)，針對協(xié)議上有關(guān)大規(guī)模多天線技術(shù)的設(shè)計(jì)及算法，采用什么樣的測試指標(biāo)和測試方法;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)用部署場景下，各種場景下性能如何驗(yàn)證;都是需要從測試角度充分考慮的問題。憑借在5G技術(shù)及測試領(lǐng)域的積累和優(yōu)勢，大唐移動(dòng)在大規(guī)模多天線測試方面取得了較多的進(jìn)展。

協(xié)議設(shè)計(jì)測試

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)。針對上述問題，大唐移動(dòng)提出了對應(yīng)的測試策略。

1.進(jìn)行上行導(dǎo)頻和預(yù)編碼測試，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)確性測試。

2.進(jìn)行下行導(dǎo)頻和預(yù)編碼測試，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)行下行測量導(dǎo)頻開銷、碼本計(jì)算準(zhǔn)確性測試。

3.進(jìn)行波束掃描的測試，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)的增益的測試。

關(guān)鍵算法性能測試

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)、物理層信號檢測、物理層信道估計(jì);MU-MIMO配對算法、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)和多用戶配對算法。快速有效的信道檢測與估計(jì);根據(jù)場景和應(yīng)用，選擇合適的多用戶配對算法進(jìn)行物理資源的調(diào)度和資源分配。針對以上這些關(guān)鍵算法的研究，需要進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證測試。

首先，需要進(jìn)行天線校準(zhǔn)測試。為了實(shí)現(xiàn)精確波束賦形，射頻信號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)行干擾抑制性能測試。為了降低用戶之間的干擾，針對給每個(gè)用戶發(fā)送的賦形信號之間干擾要盡量小，基站需要進(jìn)行干擾抑制，在不同信道場景不同用戶位置的情況下，進(jìn)行干擾抑制的性能測試。

最后，需要多用戶配對性能測試。通過連接信道模擬器，在不同信道場景不同運(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，進(jìn)行吞吐量最大化的多用戶配對性能測試。

大規(guī)模天線系統(tǒng)整體性能測試

對于大規(guī)模天線系統(tǒng)，目前普遍采用的方式是射頻單元和信號輻射單元合為一體的有源天線。對于在頻段范圍6 GHz以下的時(shí)候，波長相對較大，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)行測試，但是針對有源天線整體的測試，還是需要進(jìn)行一體化的OTA測試。對于在頻段范圍大于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)行測試，只能進(jìn)行OTA測試。

通過OTA的方式進(jìn)行系統(tǒng)的業(yè)務(wù)性能測試，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，對系統(tǒng)整體性能和覆蓋不斷進(jìn)行優(yōu)化和測試驗(yàn)證。

對于大規(guī)模有源天線的生產(chǎn)測試，也主要采用OTA的方式，包括輻射測試、波束測試和收發(fā)信機(jī)功能測試，例如所有收發(fā)信機(jī)打開時(shí)的誤差矢量幅度(EVM)測量?？筛咝Э焖俚尿?yàn)證產(chǎn)品是否合格，節(jié)約測試時(shí)間，節(jié)省測試成本。

不同場景的性能測試

大規(guī)模多天線系統(tǒng)主要的部署場景包括：宏覆蓋、微覆蓋和高層覆蓋。宏覆蓋場景基站覆蓋面積較大，用戶數(shù)多;微覆蓋場景主要針對熱點(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;高層覆蓋場景主要是通過位置相對較低的基站對高層樓宇提供覆蓋，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景。

對不同部署場景的驗(yàn)證，在外場環(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場景還是Umi場景、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。通過對不同部署場景的構(gòu)造，進(jìn)行不同場景業(yè)務(wù)性能的驗(yàn)證，達(dá)到對于外場應(yīng)用場景的實(shí)驗(yàn)室測試覆蓋。

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，一體化測試和空口測試將會(huì)成為未來測試的演進(jìn)方向。未來，大唐移動(dòng)將持續(xù)發(fā)揮5G技術(shù)及測試優(yōu)勢，積極助推5G快速發(fā)展。