研究与探讨
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2020年第7期
*基金项目：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：2019-09-01 Massive-MIMO大规模天线技术概述与测试方法 *
T echnical Overview and T est Method of Massive-MIMO
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。 大规模天线；波束赋形；OTA 测试
To better assess the gain of the antenna technology evolution for 5G networks and explore the novel test methods for AAS, this paper fi rst introduces the technical principles and latest protocol progress of Massive-MIMO, analyzes the technical challenges of Massive-MIMO application. Furthermore, this paper provide detailed analysis and research on 5G pilot design, channel estimation method, digital/analog beam forming architecture and the integrated AAS test method.
Massive-MIMO; Beamforming; Over the Air Test
（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)
【摘 要】
魏垚
WEI Yao
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.014 中图分类号：TN92文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2020)07-0081-05
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): 81-85.
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[Abstract]
[Key words]
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
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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 导频设计与信道估计方法
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。
表1 RS实现各种主要功能的差别
功能
精度电动理发剪
要求对RS 在时频RE 资源分布要求
备注
功能一：小区信号测量反馈（RSRP/RSRQ）高
在小区的TTI 和RB 上
稀疏抽样即可
小区重选和
切换的判决
依据功能二：对信道特征测量反馈（PMI/RI/CQI）
中在UE 被调度的TTI 和RB 上连续分布作为系统调度的依据
功能三：做相位和幅度估计
变面积式电容传感器低
在小区的RB 上连续分布
下行相干解调
然而，5G 系统如果延用4G 的导频设计思路，无论是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。
人工智能开发板（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，
最大4Tx
∙ SU-MIMO: ∙ 下行最大4层∙ MU-MIMO: ∙ 下行最大2用户
最大8Tx
∙ SU-MIMO: ∙ 下行最大8层∙ MU-MIMO: ∙ 下行最大4用户
最大16Tx
∙ SU-MIMO: ∙ 下行最大8层∙ MU-MIMO: ∙ 下行最大8用户
最大32Tx
∙ 工作组正在研究，2017Q1完成
∙ 6-100GHz 3D 信道建模
Sub 6GHz 3D 信道建模
5G NR
全新设计为演进做准备
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。
信道估计能力是大规模天线应用的基础，
只有在精确的信道估计的前提下，才能保证波
束赋型在空间域信号发送的正交性。大规模天
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线正是利用了这种信道在空间上的稀疏性来提高信道估计精度。对于TDD 系统而言，通过对部分导频信息的测量进行信道估计，并可以利用上下行互易性实时地估计反向信道环境。在系统设计上，虽然3GPP 已经明确计划5G NR 系统同时支持TDD 和FDD ，但由于FDD 天然不具备上下互易性导致不受大规模天线青睐。但FDD 仍然可以通过闭环的反馈辅助信息来实现信道估计，尽管这种方式时效性较差，且需要大量的时频开销来实现。业界也提出了可行的解决方案，通过估计上下行的频率差带来的偏置，在上下行信道估计计算时加上偏置值，试验证明该方法在用户处于静态环境时信道估计效果较为理想[4]
。
2 高频数/模波束赋形
4G 系统中的传统多天线采用PAS （Passive Antenna System ）天线结构，这种架构中，多个天线端口（每个端口对应着独立的射频-中频-基带通道）水平排列，而每个端口对应的垂直维的多个阵子之间由射频电缆连接。此时，只能在水平维通过对不同端口间的相对幅度/相位的调整实现对各个终端信号在水平维空间特性的优化，在垂直维则只能采用统一的扇区级预编码。这样，就会严重限制了系统垂直维空间分辨率，进而约束了系统整体性能的增强。所以，PAS 结构并不适合未来大规模天线系统。
天线系统如果采用AAS （Active Antenna System ）技术，有利于天线系统能够在垂直维获得更大的自由度，能够在三维空间实现对UE （User Equipment ）级的信号优化。尽管采用AAS 技术可以实现最大化的空间分辨率以及最优MU-MIMO 性能，但是这种结构需要大量的AD/DA 转换器以及大量完整的射频-基带处理通道，无论是对于设备成本还是基带处理复杂度都将是巨大的负担（如图2）。这一问题在高频段、大带宽时显得尤为突出。
对此，业界5G 的天线系统提出了解决方案，大规模天线前端系统可以从结构上可以布置为数字阵、模拟
阵和鉴于两者之间的数模混合阵。出于复杂度、功耗和
成本的考虑，数模混合的阵列架构在高频将具有很多的
应用潜力，而在毫米波频段由于系统带宽很宽，为降低设备成本可以采用基于模拟的波束赋型技术（如图3），目前阶段实现模拟移相的方式不同，未来规模商用阶段具体实现方式将取决于器件的集成度发展情况。
图2 数字波束赋型
能够通过较为简单的方式，使发送信号与信道实现较为粗略的匹配。模拟预编码后形成的等效信道的
维度小于
最大∙ ∙ ∙ ∙
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实际的天线数量，因此其后所需的AD/DA 转换器件、数字通道数以及相应的基带处理复杂度都可以大大降低。模拟预编码部分残余的干扰可以在数字域再进行一次处理，从而保证MU-MIMO 传输的质量。相对于全数字预编码而言，数模混合预编码是性能与复杂度的一种折中方案，在高频段大带宽或天线数量很大的系统中具有较高的实用前景[7]。
3 有源天线测试挑战与测试方法
大规模天线引入了MU-MIMO 和3D 多波束能力，天线架构的演进将放弃传统的RRU+天线的架构，一体化的有源天线架构将天线和RRU 集成为一体，采用非标准的协议，无论从设备接口的开放性还是从协议的支持性上都对AAU 架构天线测试带来新的挑战，这使得采用传统的测试方法无法进行。
传统测试方法和OTA 测试方法对比如表3所示。传导的测试方法是传导测试，使用射频馈线将被测设备测试和测试仪表连接，因此测试受外界的干扰较小，对场地要求不高。但是对于AAS 的有源模块和天线振子集成在一起，接口开放性给测试带来难度。对于AAS 设备天线和基带的协调工作才能带来MIMO 条件下的性能表现，使用基于传导连接测试测试方法需要预先输入设备天线部分的特性，但对于天线部分特性获取的准确性和便利性具备相当大的技术挑战。如果采用基于理论计算仿真的天线模型与实际效果具有一定差距；如果采用基于实测的天线模型，天线部分的难度不亚于整体设备采用OTA 测试。
另外一种方法是通过CPRI 接口连接，BBU 的基带信号直接接入信道仿真仪，相比传导连接测试免去了连接复杂的射频馈线，对测试环境要求低，测试搭建简便，但由于这种测试连接方式完全旁路了射频的部分，
因此不能体现设备的整体性能，一般用于设备研发阶段对算法的验证。
基于以上原因，OTA 测试被认为是最合适测试大规模多天线的3D 和多波束特征，被测试设备和测试仪表间不采用馈线连接，直接测试设备的整体辐射性能[8]
，如图4所示。
OTA 测试根据测试场类型可以分为近场、紧缩场和远场测试。通常对于天线辐射性能的测试，测试接收天线一般置于远场，此时电磁辐射属于平面波，场内相对角分布与距离天线的远近无关，大小与距离天线远近成反比，天线方向图的主瓣、副瓣和零值点都已全部形成。而近场接收天线可能会和发射天线会由于电容和电感的耦合作用互相干扰，造成错误的结果。缩短测量距离的其中一个方法是紧缩场法，通常是通过一个抛物面金属反射板，可以将馈源发送的球面波经抛物面反射板反射形成平面波，在一定距离以外形成一个良好的静区。这时将天线放置于静区内，测量天线的远场特性，类似于远场测量，只是缩短了测量距离。紧缩场天线测量系统能在较小的微波暗室里模拟远场的平面波电磁环
表2 数字波束赋型与模拟波束赋型优劣对比
两种波束赋型
波束赋型与空间复用能力用户跟踪速度
设备成本
数字波束赋型
能实现波束赋型同时还可以
实现空间复用 赋型矩阵直接在基带部分处理，对于用户的跟踪和波束的
调整相应快每一个天线振子需要一路独立的射频通道，方案成本高，尤其对高频超宽带系统，高速数模转换器件每个
通道都要使用，且价格昂贵模拟波束赋型
仅能实现波束赋型，不能实现空间复用
用户的跟踪需要通过扫描完
成，速度稍慢
相对于数字方案减少了昂贵高速数模转换器件的数量
能够有效降低成本
表3 传统测试方法和OTA测试方法对比
电热丝绕线机
测试方法连接方法测试指标场地与设备要求传导连接测试通过射频馈线连接端频指标：发射功率、EVM、ACLR、杂散、灵敏度、ACS、阻塞等场地要求不高，但多通道测试时需多台
仪表CPRI 连接测试光纤直连，基带信号输入基带信号测试，主要是算法测试，旁路了
射频性能光纤直连，搭
建简单OTA 测试
空中传播
整机辐射性能进行测试，天线方向图指标、辐射空口指标、
射频指标等
远场测试环境要求高，紧缩场可以降低场
地限制
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医用热熔胶
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魏垚（/0000-0001-6566-2396）：工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院移动通信研究部，主要研究方向为无线通信系统协议与关键技术
。
作者简介
境，利用常规的远场测试设备和方法对天线的辐射性能进行测试。采用近场测试能够进一步缩短被测设备和测试接收天线之间的距离，近场测量技术利用探头在天线口面上做扫描运动，或利用一组在天线口均匀布放的探头，然后对天线近场区域辐射场的数据进行扫描，然后经由计算机进行“近场-远场”变换得到天线的远场特性
[9-10]
。
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
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：
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[9] P S Kl. Preparing for GBit/s coverage in 5G: Massive
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[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. ★
图4 采用OTA测试示意图
豫公网安备41160202000603
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