劉曉龍 魏貴明 張翔

【摘? 要】在當前5G系統(tǒng)全球商用化的時代，針對基站大規(guī)模天線下的多用戶技術，對基站和終端進行性能測試是實現(xiàn)產(chǎn)品升級迭代的重要環(huán)節(jié)。首先，介紹5G多用戶技術的主要特點并說明了多用戶性能測試的意義。其次，為了實現(xiàn)不同信道環(huán)境的大規(guī)模天線基站下的多用戶性能測試，給出多用戶無線信道建模技術。最后，通過對建立的信道模型進行實現(xiàn)，給出了大規(guī)模天線多用戶性能測試的主要技術方案和測試建議。

【關鍵詞】 5G大規(guī)模天線多用戶技術;多用戶無線信道建模;多用戶性能測試

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.011? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0050-04

引用格式：劉曉龍，魏貴明，張翔. 5G大規(guī)模天線基站下的多用戶性能測試技術[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 50-53.

Multi-User Performance Testing for 5G Massive MIMO Base Station

LIU Xiaolong， WEI Guiming， ZHANG Xiang

（China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China）

[Abstract]

In the current era of global commercialization of 5G system， the performance testing of base station （BS） and terminal for massive MIMO （MM） multi-user technology is an important part of iterative product upgrading. Firstly， this paper introduced the main characteristics of MM multi-user technology， and explains the significance of multiuser performance testing. Then a multi-user wireless channel modeling technology is provided to realize the performance testing of MM multi-user technology in different wireless channel environments. Finally， through the implementation of the wireless channel model， the main technical solution and suggestions are given to MM multi-user performance testing.

[Key words]5G massive MIMO multi-user technology; multi-user channel modeling; multi-user performance test

0? ?引言

隨著運營商5G牌照的發(fā)放，2020年將成為我國大力部署5G基礎建設的元年。5G基站比較典型的特點就是引入的大規(guī)模天線（Massive MIMO）技術，通過對大規(guī)模的天線陣列進行部署，可以在無線信道環(huán)境允許的條件下，大幅提高頻譜效率，節(jié)約基站能耗，提升空間利用率。針對大規(guī)模天線技術，當前主要的研究方向在于大規(guī)模天線點到點的前向和反向容量;單站和多站情況下的前向反向容量[1-2];TDD模式下的CSI獲取方式，避免多站之間的導頻污染的方法[3];編碼器和檢測器的設計[1]，綜合考慮大規(guī)模天線陣列設計等[4]。而考慮到實際系統(tǒng)和無線環(huán)境，對大規(guī)模天線基站和基站下的終端進行性能測試更能體現(xiàn)大規(guī)模天線基站多用戶技術性能。性能測試的主要思想為，通過對待測無線信道環(huán)境進行精準建模，并用一整套基站到終端的測試系統(tǒng)來做信道實現(xiàn)，最終完成基站和終端之間的性能指標檢測過程。無線信道建模技術分為確定性或隨機性的建模，而隨機的方式又可分為幾何和非幾何兩大類[5];無線信道實現(xiàn)技術可分為純傳導法、無線傳導法、微波暗室法以及混響室法[6]。不難發(fā)現(xiàn)，目前針對5G性能測試的研究驗證大多集中于單用戶的情況，而關于大規(guī)模天線技術下的多用戶性能測試的研究卻很少。首先對大規(guī)模天線多用戶技術進行簡介，隨后提出一種新的多用戶性能測試方案，實現(xiàn)5G大規(guī)模天線基站側或5G終端側的測試。內容包括建立了全新的多用戶無線信道模型，并通過合理化的設計測試系統(tǒng)，達到準確實現(xiàn)無線信道環(huán)境，降低測試復雜度和節(jié)約成本的目標。

1? ?大規(guī)模天線多用戶技術簡介

針對大規(guī)模天線技術，現(xiàn)有5G協(xié)議規(guī)范中明確了物理層數(shù)據(jù)流從碼字到邏輯端口的映射的框架。在R15版本中，單站最大支持12層的傳輸，參考信號的邏輯端口最大數(shù)量為32個[7-8]。再通過邏輯端口映射到物理端口，最后再由物理端口映射到實際的大規(guī)模天線陣子完成數(shù)據(jù)流傳輸。終端側目前最大支持4層，其整個發(fā)送流程與4G系統(tǒng)的前向鏈路相似。

大規(guī)模天線技術通過在發(fā)端設置大規(guī)模的天線數(shù)來進行多用戶的空間復用，可以大幅提升網(wǎng)絡的速率。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)當發(fā)端天線數(shù)遠大于接收天線數(shù)，如果信道環(huán)境符合隨機矩陣特性，各個用戶的信道將會漸進正交，無線信道中的小尺度衰落部分的影響可以忽略不計[1]。這一特點充分說明大規(guī)模天線多用戶技術擁有非常強的抗衰落能力。此外，由于大規(guī)模天線技術可以進行數(shù)字或模擬域的波束賦型，可以將發(fā)射功率集中在很窄的波束范圍內，在提升系統(tǒng)能效的同時，也避免了不必要的干擾。

影響多用戶技術的因素主要為以下幾點。首先，由于5G實際系統(tǒng)的天線陣子數(shù)受硬件設計的約束，很難真正意義上實現(xiàn)遠遠大于終端的假設。加上實際無線信道環(huán)境很可能并不符合隨機矩陣的特性，這樣一來，信道小尺度部分所帶來的衰落影響不再變得微乎其微。尤其是在擁有強直射徑的情況下，大規(guī)模天線技術的優(yōu)勢往往很難被發(fā)揮出來[1]。其次，大規(guī)模天線多用戶技術的實現(xiàn)依賴于發(fā)端編碼器和終端檢測器的設計，而編碼器和檢測器所能達到的極限又被CSI獲取程度所影響。二者最終的實際表現(xiàn)會受到協(xié)議規(guī)范和實際收發(fā)機算法實現(xiàn)的共同影響。此外，由于大規(guī)模天線多用戶技術在空域擁有更窄的波束，如何使得在動態(tài)變化的環(huán)境下快速準確地維持多個收發(fā)端波束對鏈路（BPL），這將是5G大規(guī)模多用戶技術波束管理需要面對的主要問題。

為了實現(xiàn)對大規(guī)模天線多用戶的性能進行檢測，需要一個穩(wěn)定可靠的多用戶技術性能測試方案，該方案的最終測試結果能對技術本身和影響技術性能的因素進行定量分析，并且需要具備很高的可控性與可復現(xiàn)性?？紤]上述影響多用戶技術因素，只有無線信道環(huán)境是客觀的，其余因素均是5G系統(tǒng)協(xié)議或產(chǎn)品實現(xiàn)引起的。因此，測試方案中，重點應該具備實現(xiàn)5G大規(guī)模天線多用戶無線信道建模的能力，并通過對建模的信道進行實現(xiàn)完成相應的技術測試，最終推進5G無線產(chǎn)品和5G協(xié)議在大規(guī)模天線多用戶技術上的升級。本文提出的大規(guī)模天線多用戶性能測試技術主要包括兩個部分，它們分別是多用戶無線信道建模技術，和基于無線信道建模后的信道實現(xiàn)測試方案。

2? ? 多用戶無線信道建模技術

目前工業(yè)界最常用的無線信道建模方法為基于幾何的隨機信道建模方法，簇時延線（CDL）模型得到業(yè)界充分認可[9]。該模型可以實現(xiàn)3D無線信道建模，建模最后的時域信道沖擊響應為：

（1）

其中，Hu，sNLOS為模型中的非視距傳播（NLOS）部分的信道沖擊響應，它由各個不同時延下的簇信道矩陣組合而成。而矩陣Hu，sLOS為視距（LOS）直射徑的信道沖擊響應。針對多用戶技術下的無線信道建模重點是在于對原有基礎上的單用戶模型進行多用戶的拓展，具體過程如下：

首先，應根據(jù)多用戶與基站之間的擺放位置確定建模中所需要調整的角度，對實際模型中的離開角和到達角進行角度偏轉，變換后的角度為：

φn，scaled=（φn，model- μφ，model）+ μφ，desired （2）

其中，φn，model為變換前模型中的子徑角度參數(shù)，變量μn，desired為需要變更后的子徑角度參數(shù)，變量μn，model為原有模型中各簇子徑上功率加權平均角度，具體過程可以描述為：

μφ，model=arg? ? ? ? （3）

其中，φn，m為子徑的弧度角，變量Pn，m為子徑的功率。

其次，為了保證能準確模擬多用戶間不同位置的差異性，需要根據(jù)每個用戶遠場和近場的通信條件設立終端天線陣子坐標，遠場設立獨立坐標系，近場采用統(tǒng)一坐標系。將角度變換所得到的離開角、到達角、用戶坐標帶入式（1）中，即可得到每條鏈路上基站到多用戶間的整體無線信道模型，最后依據(jù)實際情況，通過平面波或球面波理論進行大規(guī)模天線模型的生成。

3? ?信道實現(xiàn)測試方案

5G大規(guī)模天線多用戶的測試方案主要指的是：根據(jù)多用戶無線信道模型進行信道實現(xiàn)，構建從基站到5G多終端之間的鏈路系統(tǒng)。由于基站側最大支持12層，終端側最大支持4層，為了充分測試大規(guī)模天線下基站和多用戶終端的性能，在相同的時頻資源上可同時對3個終端進行測試。本節(jié)給出多用戶性能測試方案，并針對基站或終端分別給出相應的測試建議。

3.1? 多用戶性能測試方案

關于大規(guī)模天線多用戶技術性能的測試，重點需要關注多用戶技術鏈路的性能。由于大規(guī)模天線是在5G基站側進行部署，整個測試更傾向于測試基站側的性能，終端側僅需要考慮不同終端的信道估計算法，編碼器和檢測器設計對性能的影響。基于多探頭暗室的測試方法在單用戶終端的測試中很常見，不同于多用戶，單用戶的測試重點為終端射頻端的設計與天線結構。多用戶時考慮暗室建造成本問題，終端側建議直接采用傳導的方式。

測試多用戶下的峰值時，需要為每個用戶選定兩個無干擾的雙極化波束位置，根據(jù)波束位置來實現(xiàn)4層的信道Hpeak，可以通過調相網(wǎng)絡設置虛擬探頭位置來實現(xiàn)，或通過在基站側暗室中設立實際的接收探頭來實現(xiàn)，如圖1和圖2。峰值測試的主要指標為小區(qū)總吞吐量或用戶平均吞吐量。

針對衰落信道測試，由于當前主流的測試儀表資源端口數(shù)量有限，儀表組合最大可支持雙向256條鏈路的測試，因此整個測試系統(tǒng)無法實現(xiàn)64×12即768條鏈路的模擬。為了解決問題，需要根據(jù)建立的多用戶無線信道模型，為每個用戶選擇最主要的波束位置，波束位置對應虛擬或實際探頭的擺放位置，通過調相網(wǎng)絡或微波暗室進行信道降維。最后每個用戶在調相網(wǎng)絡或微波暗室的出口處各占4個端口。3個用戶共計12個端口，通過后續(xù)接信道模擬器來實現(xiàn)衰落信道的相關測試。其中每個用戶所對應的無線信道是調相網(wǎng)絡或微波暗室中的信道HPSB和信道模擬器中的信道HCE二者的卷積。測試連接圖如圖3和圖4所示：

3.2? 多用戶基站性能測試

基站側的測試重點為前向鏈路的編碼器設計、反向鏈路的檢測器設計、基站的資源分配能力以及波束賦型和波束管理情況。表1給出基站側多用戶性能測試能力。

3.3? 多用戶終端性能測試

類似地，終端側重點測試終端前向鏈路的編碼器設計、反向鏈路的檢測器設計、終端部分帶寬（BWP）能力以及波束賦型和波束管理情況。終端側的多用戶性能測試能力如表2所述：

4? ?結束語

大規(guī)模天線技術下的多用戶場景是5G蜂窩系統(tǒng)中的主要組成部分。文章提出了一種以多用戶無線信道建模為理論基礎，多用戶測試系統(tǒng)為實現(xiàn)方法的5G大規(guī)模天線多用戶測試技術方案，并分別針對基站側和終端側給出了相應的測試建議。由于現(xiàn)階段信道模擬器儀表的端口數(shù)量受限，未來將重點研究方案中多用戶虛擬或實際探頭位置的最優(yōu)化選取以及如何在最少的信道信息損失條件下實現(xiàn)信道降維。

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作者簡介

劉曉龍（orcid.org/0000-0002-4986-5916）：博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院技術與標準研究所，主要研究方向為大規(guī)模天線技術，全雙工無線技術，自適應調制編碼技術，無線產(chǎn)品的性能測試與標準化，已在國內外期刊和會議上發(fā)表論文10余篇，申請國內外發(fā)明專利3項。

魏貴明：現(xiàn)任中國信息通信研究院技術與標準所無線與移動研究部主任，曾兼任TD-SCDMA專家組辦公室主任、TD-LTE工作組辦公室主任，長期從事移動通信技術標準、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等研究工作。

張翔：博士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任中國信息通信研究院技術與標準研究所主任工程師，主持多項國家科技重大專項科研項目，主要研究方向為大規(guī)模天線技術，5G OTA測試方法，基站和終端的射頻與性能測試技術，已在國際期刊和會議上發(fā)表SCI、EI論文30余篇，申請發(fā)明專利20余項。