Massive-MIMO大规模天线技术概述与测试方法

【摘  要】为更好地评估天线技术的演进给5G网络带来的增益，探索有源天线的新型测试方法，首先简述了大规模天线的技术原理和最新协议进展，分析了大规模天线应用的技术挑战，并针对5G导频设计与信道估计方法、数/模波束赋型架构以及一体化有源天线测试方法等问题进行了详细的分析和研究。

【关键词】大规模天线;波束赋形;OTA测试

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000        中图分类号：TN92

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：魏垚. Massive-MIMO大规模天线技术概述与测试方法[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 00-00.

0   引言

5G系统引入大规模天线是因为随着无线通信系统物理层技术的进步，LTE系统的系统容量已经逼近香农极限，难以再进行更深度的挖掘，5G频谱效率和系统容量的突破需另辟蹊径。从频域和时域，甚至码域的角度没有大的提升，5G将目光转向空间复用。大规模天线（Massive-MIMO）概念是在2010年由贝尔实验室的Thomas L Marzetta首次提出[1]，通过基站侧布置大规模阵列天线，将发射能量集中，将波束赋型在更窄的方向上，在空间中每个波束相对独立，实现空间域维度的资源复用。理论假设当天线数远远大于用户终端数时，多用户传输信道趋于正交，实现频谱资源复用，能够数倍提高小区容量和频谱效率[2]。

MIMO技术在3GPP LTE早期版本已经出现，随着容量需求和技术的发展，天线数随版本演进不断增多，16天线可以认为是进入多天线“大规模”的门槛。标准进展如图1所示，为了实现全维发射，Rel-12中首先完成了针对6 GHz以下频段的3D化的信道及应用场景建模工作，通过球面体传播模型替代传统的平面传播模型，垂直维度的波束能够实现高楼覆盖，扩展了多天线的应用场景。紧接着Rel-13中，3GPP定义了能够支持最多16个端口的FD-MIMO方案。Rel-14对6～100 GHz频段的信道和应用场景进行了建模，同时提出了支持32个端口的eFD-MIMO，支持非周期的CSI-RS和上行DM-RS增强。2017年3月3GPP RAN #75次全会正式开启了Rel-15版本的5G标准制定，并在RAN1的物理层新空口立项中针对大规模天线技术细节开展工作，包括多天线方案、波束管理、CSI获取、参考信号设计和QCI等[3]。

多天线技术在4G系统中得到了广泛的应用，但是随着天数数量的增加、天线设备的一体化等新的变化，大规模天线的引入和应用将面临众多挑战。天线数量急剧增加，会带来传统系统设计上的问题如系统开销，下行方向会随着基站的天线数量的增加而呈接近于线性增加的趋势，上行方向则因为需要正交的导频资源，当同时在线的用户数量增加而线性增长。因此，5G NR的新导频如何设计是一个挑战。大规模天线虽然在高频通信场景中体积做得极小，但多通道的基带处理单元和功放设备的成本问题不可忽视，数字波束赋形和模拟波束赋形如何在高频通信环境中取得折中极具挑战。一体化有源天线已成为5G天线形态的主要趋势，其“一体化”和“有源”的特性使传统测试方法测试指标具有局限性，一种OTA的测试方法已逐渐成为未来有源天线测试的主要趋势。论文分别就以上挑战一一进行了详细的描述和分析，并就业界目前的解决方案和部分已经被5G标准化的重要结论进行了分析说明，最后在文末进行重要结论的总结。

1   导频设计与信道估計方法

4G系统中的CRS是小区级的，主要负责的功能包括三个：（1）小区级信号强度和质量反馈，用于系统切换的判决依据;（2）信道状态指示反馈，系统调度的依据;（3）下行相位和幅度估计，用于下行信道的相干解调。这三个功能对导频资源的需求是不同的，精度要求各有高低，如表1所示。因此从R10版本开始，引入了用于获取信道质量的参考信号（CSI-RS）和用于解调数据的参考信号（DM-RS），同时为了兼顾旧终端，CRS依然肩负起小区级信道强度和质量反馈的功能而被保留下来。

然而，5G系统如果延用4G的导频设计思路，无论上下行导频开销都会因天线数量的增加而陡增，导致系统没有多余的时频资源用于传输数据。因此，在R15的标准设计中，5G NR新空口做了新的调整和变化，包括支持四种参考信号：解调参考信号DMRS，相位追踪参考信号PTRS，测量参考信号SRS和信道状态信息参考信号CSI-RS。R15的NR参考信号主要变化和原因包括：

（1）NR取消了CRS参考信号，传统的小区级测量RSRP和RSRQ信号将变为波束级的，这部分功能由PSS、SSS和PBCH组成的SS block和CSI-RS的测量来实现，空闲态重选基于SS block的测量，激活态切换基于SS block和CSI-RS的测量。

（2）DMRS则维持对控制信道和业务信道的相干解调，仅仅在需要时才发送。

（3）PTRS是NR新引入的参考信号，是为了消除高频段的5G系统的相位噪声。随着振荡器载波频率的上升，相位噪声也会增大，会导致不同时域OFDM符号上的所有子载波产生相位旋转，因此需要设计一个比DMRS在频域具有更低密度而在时域具有更高密度的RS进行测量。PTRS具体时频位置还在3GPP讨论中。

（4）SRS是基站用来估计信道状态（CSI）以支持上行信道相关的调度和链路自适应的（MCS）。NR的SRS设计将基于传统LTE的SRS设计，并进行了增强，SRS可能将会有模块化的、灵活的设计，以支持不同的流程以及用户终端能力，为了实现更好测量精度和效果以用于波束管理。

OTA测试能够对设备的整机性能进行测试，能够更真实地反映设备的实际性能，因此OTA测试是AAS设备测试的发展方向，特别对于Massive MIMO相关的性能测试。但是OTA测试相对于传统的传导测试，需要在微波暗室进行。对于无线设备测试需要的微波暗室空间较大，测试费用昂贵。另外采用OTA测试信号经过空间耦合，被测设备到测试接收天线间的路径损耗会降低测试系统的灵敏度和准确性。

4    结束语

大规模天线因具备提升系统容量、频谱效率、用户体验速率、增强全维覆盖和节约能耗等诸多优点而被认为是5G最具潜力的无线网关键技术。现阶段，大规模天线技术的发展和应用还需要解决诸多挑战，但无论从学术理论上还是从标准制定方面已经有了解决方案。5G NR重新设计了导频和信道估计方法以适应大规模天线的多波束和全维的特点，数字波束赋型和模拟波束赋型在成本和性能之间取得折中，数/模混合波束赋形在高频大带宽场景更具应用前景，传统的天线测试方法已经不适应一体化有源天线的测试，OTA测试是未来大规模天线测试的主要方向。

参考文献：

[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：国家重大科技专项“5G高速连续广域覆盖技术方案与试验系统研发”（2016ZX03001009）;增强移动宽带5G系统概念样机研发（2017ZX03001001）

收稿日期：2017-09-01