面向5G Massive MIMO性能评估的无线信道验证及测试方法

孟令同，旷婧华，江天明，邓伟，曹蕾

（中国移动通信有限公司研究院，北京 100053）

0 引言

5G 系统Massive MIMO 无线通信最主要的特点是利用无线信道的多径特征，设计合理的算法，达到最大化利用多天线的空间资源，提高系统的覆盖和容量。MIMO的许多关键技术和算法设计都与实际的MIMO 无线信道环境密切相关。只有当信道传输矩阵H接近满秩时，才能获得最大的自由度，充分发挥多天线的空间优势，获得最大的信道容量。因此建立合理且贴近实际的MIMO无线信道并验证该信道的准确性，对于MIMO 系统技术的分析和评估至关重要[1-10]。

5G Massive MIMO 无线信道的验证是5G 基站多天线性能测试的关键，其与3G、LTE 系统信道验证存在较大的差异。目前产业上的5G 无线信道仿真仪有很多种，如何验证这些仿真仪器的信道模型是否正确，是5G 基站Massive MIMO 性能测试的关键。对无线信道的验证类似于MIMO 信道测量，在给定信道模型参数的情况下，验证无线信道的径数、各径时延、各径增益、到达角、离开角等参数是否与给定模型参数一致。本文将提出一套面向5G Massive MIMO 性能评估的无线信道验证和测试方法。

1 5G Massive MIMO信道生成方法

5G Massive MIMO 信道不同于3G/4G 信道，5G Massive MIMO 的信道具有3D 空间特性，这是因为5G 基站设备（或者终端设备）采用了大规模天线技术，即无线信道模型不仅要模拟3G/4G 多径特性（功率、角度），还需要模拟5G无线信道的三维特性，包括每条径的角度（AOA、ZOA、AOD、ZOD）及角度扩展[11-21]。这导致5G 大规模天线产品的信道生成与2G/3G/4G 的信道有本质的差别。

由图1 可见，终端至基站各个通道的信号需要进行如下仿真：

图1 8个终端至64TR基站Massive MIMO信道模拟仪信道仿真

（1）多径的仿真：包括多径的个数、多径时延以及多径增益仿真；

（2）多径角度的仿真：多径在基站各个通道映射的角度等参数仿真。

2 5G Massive MIMO信道验证和测试方法

下面首先介绍5G Massive MIMO 信道验证系统，再分别介绍5G Massive MIMO 信道的多径功率、时延以及多径角度的验证方法。

图2 是5G Massive MIMO 信道测试设备及验证系统构架，包括信号源、信道模拟器和矢量网络分析仪。首先设置信道模拟器中的基站天线参数，包括：排列方式、极化方式、单阵子辐射图等。其次，对终端进行建模，设置终端位置、移动速度等。利用矢量网络分析仪（选件B91、K7 和K17）一方面进行射脉冲发生和脉冲响应采集，另一方面测量64TR 基站各个通道在不同多径下的角度差。

图2 5G Massive MIMO信道测试设备及验证系统构架

2.1 5G Massive MIMO信道功率时延验证方法

5G Massive MIMO 信道模拟器中多径功率时延的验证一般是将功率时延谱（PDP,Power Delay Profile）作为评价指标，采用的方法是基于扩频体制的相关测量法，实现过程是在发端发射用于信道测量的周期性PN 序列（伪随机序列）信号，在接收本地产生同样的PN 序列并与接收到的信号做互相关运算，求得信道的瞬时冲激响应。当两种码片序列的排列相同时给出最大相关值，由于不同多径到达有不同的时延，它们在不同时刻与PN 序列达到最大相关。因此，相关峰的个数即为多径数量，相关峰的幅度关系即为多径的信号幅度关系，由相关峰的位置关系可确定多径的时延关系。相关的定义如下：

式中x、y为两个长度均为N的序列，conj(A)表示取A的共轭，表示取A的绝对值。

比较简便的验证PDP 的方法是通过信号发生器发射一个脉冲信号，然后通过频谱仪或者矢量网络验证信道模拟器仿真信道的PDP。具体的方法如下：基于图2 的信道模拟器验证系统构架图，设置矢量网络分析仪输出脉冲信号至终端1 端口，从64×8 Massive MIMO 仿真验证系统64 阵子采集脉冲信号并进行分析（每个终端至相控阵基站具有24 个径，每个径到达角不一样）。图3为输入终端1 端口信号、基站阵子1 到基站阵子64 端口输出信号时间与功率关系，通过矢量网络分析仪即可验证径数、多径的时延和功率。

图3 终端至基站各个通道信号功率和时延关系

2.2 5G Massive MIMO多径角度验证方法

（1）5G Massive MIMO 多径角度计算原理

假设5G 基站为64TR 天线，双极化64 通道。基站相控阵天线排列为四行八列，天线横排间距为dx，竖排间距为dy。64TR 基站天线如图4 所示。

图4 64 TR基站天线

当终端到基站天线的距离（单位米）远大于天线间距（单位厘米），那么基站天线阵列接收到的信号可认为近似平行来波，参考图5：

图5 天线来波示意图

由图5 可知，elmN接收到的信号相对于elm0 的相位差为：（弧度）。如同时存在垂直维和水平维，则两个维度分别计算后合并，于是可以得到多径AOA/EOA/AOD/EOD 的计算方法。

1）AOA 计算方法

终端1 至基站第1 径AOA 计算方法如下：

其中，φi表示终端1 至基站i通道第1 径的相位，dx表征基站相控阵天线横排间距。

2）EOA 计算方法

终端1 至基站第1 径ZOA 计算方法如下：

其中，φi表征终端1 至基站i通道第1 径的相位，dy表征基站相控阵天线竖排间距。

3）AOD 计算方法

基站至终端1 第1 径AOD 计算方法如下：

其中，φi表征基站i通道至终端1 第1 径的相位，dx表征基站相控阵天线横排间距。

4）EOD 计算方法

基站至终端1 第1 径ZOD 计算方法如下：

其中，φi表征基站i通道至终端1 第1 径的相位，dy表征基站相控阵天线竖排间距。

由上面的多径AOA/EOA/AOD/EOD 的计算方法可以看出，只要具体有Massive MIMO 主设备各通道之间的相位差即可得到多径的角度。下面介绍通过矢量网络分析测试Massive MIMO 主设备各通道之间的相位差的方法。

（2）5G Massive MIMO 多径角度验证方法

1）AOA/EOA 测试方法

基于以上分析，设置矢量网络分析仪输出脉冲信号至终端1 端口，从64×8 Massive MIMO 信道验证系统的64 个通道采集脉冲信号并进行分析（假设每个终端至基站具有24 个径，每个径到达角不一样）。图6 是输入终端1 端口信号、基站通道1 端口到基站通道64 端口输出信号时间与功率关系。

由图6 可见，在时间与功率关系方面，多径特性在各个基站通道上表征是一样的。然而，时间与相位的关系不同，如图7 所示。

由图7 可见，基站1 通道和基站2 通道输出信号在径1 时间段间相位差为Δφ1，在径2 时间段相位差为Δφ2……在径24 时间段相位差为Δφ24（注：Δφ1表征径1到达角在基站通道1 和基站通道2 投射相位差，Δφ2表征径2 到达角在基站阵子1 和阵子2 投射相位差……Δφ24表征径24 到达角在基站阵子1 和阵子2 投射相位差）。这样，使用矢量网络分析仪测量基站阵子1 端口和基站阵子2 端口输出信号间相位差如图8 所示。

图7 基站1通道和基站2通道输出信号时间与相位关系

图8 矢量网络分析仪测量基站阵子1端口和基站阵子2端口输出信号间相位差

2）AOD/ZOD 测试方法

对AOD/EOD 的测试方法与AOA/ZOA 原理一致。设置矢量网络分析仪输出脉冲信号至基站阵子1 端口，从64×8 Massive MIMO 信道验证系统终端1 端口采集脉冲信号并进行分析（每个终端至相控阵基站具有24 个径，每个径到达角不一样）。在时间与功率关系方面，多径特性在各个基站通道端口至同一终端表征是一样的，然而，时间与相位的关系不同。基站通道1 端口和基站通道2 端口至终端1 端口输出信号在径1 时间段间相位差为Δφ1，在径2 时间段相位差为Δφ2……在径24 时间段相位差为Δφ24（注：Δφ1表征径1 出发角在基站通道1 和通道2 至终端1 投射相位差，Δφ2表征径2 出发角在基站通道1 和通道2 至终端1 投射相位差……Δφ24表征径24 出发角在基站通道1 和通道2 至终端1 投射相位差）。这样，可以使用矢量网络分析仪测量基站通道1 端口和基站通道2端口至终端输出信号间相位差。

通过如上方法，可以得到如下测量数据：

终端1 至基站通道1 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

终端1 至基站通道2 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

终端1 至基站通道64 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

终端2 至基站通道64 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

终端8 至基站通道1 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

终端8 至基站通道2 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

终端8 至基站通道64 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

基站通道1 至终端1 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

基站通道2 至终端1 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

基站通道64 至终端1 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

基站通道64 至终端2 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

基站通道1 至终端8 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

基站通道2 至终端8 径1 相位、径2 相位……径24 相位；

……

基站通道64至终端8径1相位、径2相位……径24相位。

基于如上测量数据，通过AOA/EOA/AOD/EOD 的计算公式可得：

终端1 至基站径1 AOA/EOA、径2 AOA/EOA……径24 AOA/EOA；

终端2 至基站径1 AOA/EOA、径2 AOA/EOA……径24 AOA/EOA；

……

终端8 至基站径1 AOA/EOA、径2 AOA/EOA……径24 AOA/EOA；

基站至终端1 径1 AOD/EOD、径2 AOD/EOD……径24 AOD/EOD；

基站至终端2 径1 AOD/EOD、径2 AOD/EOD……径24 AOD/EOD；

……

基站至终端8 径1 AOD/EOD、径2 AOD/EOD、……、径24 AOD/EOD。

2.3 5G Massive MIMO信道验证试验

为了验证本文所提的5G Massive MIMO 信道验证及测试方法，利用信道模拟器及相关仪表分别对无线信道功率时延、以及多径角度进行测试验证。图9 为5G Massive MIMO 信道的测试设备，包括信号源、信道模拟器和矢量网络分析仪。

图9 5G Massive MIMO信道测试设备

图10 为CDL-B 信道理论值和估计值的PDP 对比图。从图中的PDP 测试结果可以看出，通过测试得到的可分辨的仿真径数以及时延基本和理论值基本一致，满足精度要求，说明了所提方法的有效性。

图10 CDL-B信道理论值和估计值的PDP对比图

图11 为CDL-B 信道多径角度理论值和估计值的对比图。测试结果显示，多径角度估计值与理论值基本重合，验证了所提多径角度验证方法的有效性和合理性。

图11 CDL-B信道多径角度理论值和估计值的对比图

3 结束语

本文对5G Massive MMO 无线信道测试设备和验证方法进行了介绍，分析了5G Massive IMMO 信道与之前通信系统信道的差异。与2G/3G/4G 系统通信信道主要验证多径的功率和时延等参数所不同，5G 系统由于Massive MIMO 的广泛应用，需要对5G Massive MIMO 信道的多径角度等参数进行验证。针对5G Massive IMMO 信道的验证，本文提出了一种Massive MIMO 无线信道测试设备及验证方法，实现了验证5G Massive MIMO 信道准确性的目的，弥补了5G 无线信道验证和测试的空白。