孟令同,曠婧華,江天明,鄧偉,曹蕾
(中國移動通信有限公司研究院,北京 100053)
5G 系統(tǒng)Massive MIMO 無線通信最主要的特點(diǎn)是利用無線信道的多徑特征,設(shè)計(jì)合理的算法,達(dá)到最大化利用多天線的空間資源,提高系統(tǒng)的覆蓋和容量。MIMO的許多關(guān)鍵技術(shù)和算法設(shè)計(jì)都與實(shí)際的MIMO 無線信道環(huán)境密切相關(guān)。只有當(dāng)信道傳輸矩陣H接近滿秩時(shí),才能獲得最大的自由度,充分發(fā)揮多天線的空間優(yōu)勢,獲得最大的信道容量。因此建立合理且貼近實(shí)際的MIMO無線信道并驗(yàn)證該信道的準(zhǔn)確性,對于MIMO 系統(tǒng)技術(shù)的分析和評估至關(guān)重要[1-10]。
5G Massive MIMO 無線信道的驗(yàn)證是5G 基站多天線性能測試的關(guān)鍵,其與3G、LTE 系統(tǒng)信道驗(yàn)證存在較大的差異。目前產(chǎn)業(yè)上的5G 無線信道仿真儀有很多種,如何驗(yàn)證這些仿真儀器的信道模型是否正確,是5G 基站Massive MIMO 性能測試的關(guān)鍵。對無線信道的驗(yàn)證類似于MIMO 信道測量,在給定信道模型參數(shù)的情況下,驗(yàn)證無線信道的徑數(shù)、各徑時(shí)延、各徑增益、到達(dá)角、離開角等參數(shù)是否與給定模型參數(shù)一致。本文將提出一套面向5G Massive MIMO 性能評估的無線信道驗(yàn)證和測試方法。
5G Massive MIMO 信道不同于3G/4G 信道,5G Massive MIMO 的信道具有3D 空間特性,這是因?yàn)?G 基站設(shè)備(或者終端設(shè)備)采用了大規(guī)模天線技術(shù),即無線信道模型不僅要模擬3G/4G 多徑特性(功率、角度),還需要模擬5G無線信道的三維特性,包括每條徑的角度(AOA、ZOA、AOD、ZOD)及角度擴(kuò)展[11-21]。這導(dǎo)致5G 大規(guī)模天線產(chǎn)品的信道生成與2G/3G/4G 的信道有本質(zhì)的差別。
由圖1 可見,終端至基站各個(gè)通道的信號需要進(jìn)行如下仿真:
圖1 8個(gè)終端至64TR基站Massive MIMO信道模擬儀信道仿真
(1)多徑的仿真:包括多徑的個(gè)數(shù)、多徑時(shí)延以及多徑增益仿真;
(2)多徑角度的仿真:多徑在基站各個(gè)通道映射的角度等參數(shù)仿真。
下面首先介紹5G Massive MIMO 信道驗(yàn)證系統(tǒng),再分別介紹5G Massive MIMO 信道的多徑功率、時(shí)延以及多徑角度的驗(yàn)證方法。
圖2 是5G Massive MIMO 信道測試設(shè)備及驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架,包括信號源、信道模擬器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。首先設(shè)置信道模擬器中的基站天線參數(shù),包括:排列方式、極化方式、單陣子輻射圖等。其次,對終端進(jìn)行建模,設(shè)置終端位置、移動速度等。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(選件B91、K7 和K17)一方面進(jìn)行射脈沖發(fā)生和脈沖響應(yīng)采集,另一方面測量64TR 基站各個(gè)通道在不同多徑下的角度差。
圖2 5G Massive MIMO信道測試設(shè)備及驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架
5G Massive MIMO 信道模擬器中多徑功率時(shí)延的驗(yàn)證一般是將功率時(shí)延譜(PDP,Power Delay Profile)作為評價(jià)指標(biāo),采用的方法是基于擴(kuò)頻體制的相關(guān)測量法,實(shí)現(xiàn)過程是在發(fā)端發(fā)射用于信道測量的周期性PN 序列(偽隨機(jī)序列)信號,在接收本地產(chǎn)生同樣的PN 序列并與接收到的信號做互相關(guān)運(yùn)算,求得信道的瞬時(shí)沖激響應(yīng)。當(dāng)兩種碼片序列的排列相同時(shí)給出最大相關(guān)值,由于不同多徑到達(dá)有不同的時(shí)延,它們在不同時(shí)刻與PN 序列達(dá)到最大相關(guān)。因此,相關(guān)峰的個(gè)數(shù)即為多徑數(shù)量,相關(guān)峰的幅度關(guān)系即為多徑的信號幅度關(guān)系,由相關(guān)峰的位置關(guān)系可確定多徑的時(shí)延關(guān)系。相關(guān)的定義如下:
式中x、y為兩個(gè)長度均為N的序列,conj(A)表示取A的共軛,表示取A的絕對值。
比較簡便的驗(yàn)證PDP 的方法是通過信號發(fā)生器發(fā)射一個(gè)脈沖信號,然后通過頻譜儀或者矢量網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證信道模擬器仿真信道的PDP。具體的方法如下:基于圖2 的信道模擬器驗(yàn)證系統(tǒng)構(gòu)架圖,設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至終端1 端口,從64×8 Massive MIMO 仿真驗(yàn)證系統(tǒng)64 陣子采集脈沖信號并進(jìn)行分析(每個(gè)終端至相控陣基站具有24 個(gè)徑,每個(gè)徑到達(dá)角不一樣)。圖3為輸入終端1 端口信號、基站陣子1 到基站陣子64 端口輸出信號時(shí)間與功率關(guān)系,通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀即可驗(yàn)證徑數(shù)、多徑的時(shí)延和功率。
圖3 終端至基站各個(gè)通道信號功率和時(shí)延關(guān)系
(1)5G Massive MIMO 多徑角度計(jì)算原理
假設(shè)5G 基站為64TR 天線,雙極化64 通道?;鞠嗫仃囂炀€排列為四行八列,天線橫排間距為dx,豎排間距為dy。64TR 基站天線如圖4 所示。
圖4 64 TR基站天線
當(dāng)終端到基站天線的距離(單位米)遠(yuǎn)大于天線間距(單位厘米),那么基站天線陣列接收到的信號可認(rèn)為近似平行來波,參考圖5:
圖5 天線來波示意圖
由圖5 可知,elmN接收到的信號相對于elm0 的相位差為:(弧度)。如同時(shí)存在垂直維和水平維,則兩個(gè)維度分別計(jì)算后合并,于是可以得到多徑AOA/EOA/AOD/EOD 的計(jì)算方法。
1)AOA 計(jì)算方法
終端1 至基站第1 徑AOA 計(jì)算方法如下:
其中,φi表示終端1 至基站i通道第1 徑的相位,dx表征基站相控陣天線橫排間距。
2)EOA 計(jì)算方法
終端1 至基站第1 徑ZOA 計(jì)算方法如下:
其中,φi表征終端1 至基站i通道第1 徑的相位,dy表征基站相控陣天線豎排間距。
3)AOD 計(jì)算方法
基站至終端1 第1 徑AOD 計(jì)算方法如下:
其中,φi表征基站i通道至終端1 第1 徑的相位,dx表征基站相控陣天線橫排間距。
4)EOD 計(jì)算方法
基站至終端1 第1 徑ZOD 計(jì)算方法如下:
其中,φi表征基站i通道至終端1 第1 徑的相位,dy表征基站相控陣天線豎排間距。
由上面的多徑AOA/EOA/AOD/EOD 的計(jì)算方法可以看出,只要具體有Massive MIMO 主設(shè)備各通道之間的相位差即可得到多徑的角度。下面介紹通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析測試Massive MIMO 主設(shè)備各通道之間的相位差的方法。
(2)5G Massive MIMO 多徑角度驗(yàn)證方法
1)AOA/EOA 測試方法
基于以上分析,設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至終端1 端口,從64×8 Massive MIMO 信道驗(yàn)證系統(tǒng)的64 個(gè)通道采集脈沖信號并進(jìn)行分析(假設(shè)每個(gè)終端至基站具有24 個(gè)徑,每個(gè)徑到達(dá)角不一樣)。圖6 是輸入終端1 端口信號、基站通道1 端口到基站通道64 端口輸出信號時(shí)間與功率關(guān)系。
由圖6 可見,在時(shí)間與功率關(guān)系方面,多徑特性在各個(gè)基站通道上表征是一樣的。然而,時(shí)間與相位的關(guān)系不同,如圖7 所示。
由圖7 可見,基站1 通道和基站2 通道輸出信號在徑1 時(shí)間段間相位差為Δφ1,在徑2 時(shí)間段相位差為Δφ2……在徑24 時(shí)間段相位差為Δφ24(注:Δφ1表征徑1到達(dá)角在基站通道1 和基站通道2 投射相位差,Δφ2表征徑2 到達(dá)角在基站陣子1 和陣子2 投射相位差……Δφ24表征徑24 到達(dá)角在基站陣子1 和陣子2 投射相位差)。這樣,使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站陣子1 端口和基站陣子2 端口輸出信號間相位差如圖8 所示。
圖7 基站1通道和基站2通道輸出信號時(shí)間與相位關(guān)系
圖8 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站陣子1端口和基站陣子2端口輸出信號間相位差
2)AOD/ZOD 測試方法
對AOD/EOD 的測試方法與AOA/ZOA 原理一致。設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀輸出脈沖信號至基站陣子1 端口,從64×8 Massive MIMO 信道驗(yàn)證系統(tǒng)終端1 端口采集脈沖信號并進(jìn)行分析(每個(gè)終端至相控陣基站具有24 個(gè)徑,每個(gè)徑到達(dá)角不一樣)。在時(shí)間與功率關(guān)系方面,多徑特性在各個(gè)基站通道端口至同一終端表征是一樣的,然而,時(shí)間與相位的關(guān)系不同?;就ǖ? 端口和基站通道2 端口至終端1 端口輸出信號在徑1 時(shí)間段間相位差為Δφ1,在徑2 時(shí)間段相位差為Δφ2……在徑24 時(shí)間段相位差為Δφ24(注:Δφ1表征徑1 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差,Δφ2表征徑2 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差……Δφ24表征徑24 出發(fā)角在基站通道1 和通道2 至終端1 投射相位差)。這樣,可以使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量基站通道1 端口和基站通道2端口至終端輸出信號間相位差。
通過如上方法,可以得到如下測量數(shù)據(jù):
終端1 至基站通道1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
終端1 至基站通道2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
終端1 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
終端2 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
終端8 至基站通道1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
終端8 至基站通道2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
終端8 至基站通道64 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
基站通道1 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
基站通道2 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
基站通道64 至終端1 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
基站通道64 至終端2 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
基站通道1 至終端8 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
基站通道2 至終端8 徑1 相位、徑2 相位……徑24 相位;
……
基站通道64至終端8徑1相位、徑2相位……徑24相位。
基于如上測量數(shù)據(jù),通過AOA/EOA/AOD/EOD 的計(jì)算公式可得:
終端1 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA;
終端2 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA;
……
終端8 至基站徑1 AOA/EOA、徑2 AOA/EOA……徑24 AOA/EOA;
基站至終端1 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD……徑24 AOD/EOD;
基站至終端2 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD……徑24 AOD/EOD;
……
基站至終端8 徑1 AOD/EOD、徑2 AOD/EOD、……、徑24 AOD/EOD。
為了驗(yàn)證本文所提的5G Massive MIMO 信道驗(yàn)證及測試方法,利用信道模擬器及相關(guān)儀表分別對無線信道功率時(shí)延、以及多徑角度進(jìn)行測試驗(yàn)證。圖9 為5G Massive MIMO 信道的測試設(shè)備,包括信號源、信道模擬器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。
圖9 5G Massive MIMO信道測試設(shè)備
圖10 為CDL-B 信道理論值和估計(jì)值的PDP 對比圖。從圖中的PDP 測試結(jié)果可以看出,通過測試得到的可分辨的仿真徑數(shù)以及時(shí)延基本和理論值基本一致,滿足精度要求,說明了所提方法的有效性。
圖10 CDL-B信道理論值和估計(jì)值的PDP對比圖
圖11 為CDL-B 信道多徑角度理論值和估計(jì)值的對比圖。測試結(jié)果顯示,多徑角度估計(jì)值與理論值基本重合,驗(yàn)證了所提多徑角度驗(yàn)證方法的有效性和合理性。
圖11 CDL-B信道多徑角度理論值和估計(jì)值的對比圖
本文對5G Massive MMO 無線信道測試設(shè)備和驗(yàn)證方法進(jìn)行了介紹,分析了5G Massive IMMO 信道與之前通信系統(tǒng)信道的差異。與2G/3G/4G 系統(tǒng)通信信道主要驗(yàn)證多徑的功率和時(shí)延等參數(shù)所不同,5G 系統(tǒng)由于Massive MIMO 的廣泛應(yīng)用,需要對5G Massive MIMO 信道的多徑角度等參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。針對5G Massive IMMO 信道的驗(yàn)證,本文提出了一種Massive MIMO 無線信道測試設(shè)備及驗(yàn)證方法,實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證5G Massive MIMO 信道準(zhǔn)確性的目的,彌補(bǔ)了5G 無線信道驗(yàn)證和測試的空白。