5G大规模天线基站下的多用户性能测试技术

刘晓龙 魏贵明 张翔

【摘  要】在当前5G系统全球商用化的时代，针对基站大规模天线下的多用户技术，对基站和终端进行性能测试是实现产品升级迭代的重要环节。首先，介绍5G多用户技术的主要特点并说明了多用户性能测试的意义。其次，为了实现不同信道环境的大规模天线基站下的多用户性能测试，给出多用户无线信道建模技術。最后，通过对建立的信道模型进行实现，给出了大规模天线多用户性能测试的主要技术方案和测试建议。

【关键词】 5G大规模天线多用户技术;多用户无线信道建模;多用户性能测试

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.011      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0050-04

引用格式：刘晓龙，魏贵明，张翔. 5G大规模天线基站下的多用户性能测试技术[J]. 移动通信， 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

随着运营商5G牌照的发放，2020年将成为我国大力部署5G基础建设的元年。5G基站比较典型的特点就是引入的大规模天线（Massive MIMO）技术，通过对大规模的天线阵列进行部署，可以在无线信道环境允许的条件下，大幅提高频谱效率，节约基站能耗，提升空间利用率。针对大规模天线技术，当前主要的研究方向在于大规模天线点到点的前向和反向容量;单站和多站情况下的前向反向容量[1-2];TDD模式下的CSI获取方式，避免多站之间的导频污染的方法[3];编码器和检测器的设计[1]，综合考虑大规模天线阵列设计等[4]。而考虑到实际系统和无线环境，对大规模天线基站和基站下的终端进行性能测试更能体现大规模天线基站多用户技术性能。性能测试的主要思想为，通过对待测无线信道环境进行精准建模，并用一整套基站到终端的测试系统来做信道实现，最终完成基站和终端之间的性能指标检测过程。无线信道建模技术分为确定性或随机性的建模，而随机的方式又可分为几何和非几何两大类[5];无线信道实现技术可分为纯传导法、无线传导法、微波暗室法以及混响室法[6]。不难发现，目前针对5G性能测试的研究验证大多集中于单用户的情况，而关于大规模天线技术下的多用户性能测试的研究却很少。首先对大规模天线多用户技术进行简介，随后提出一种新的多用户性能测试方案，实现5G大规模天线基站侧或5G终端侧的测试。内容包括建立了全新的多用户无线信道模型，并通过合理化的设计测试系统，达到准确实现无线信道环境，降低测试复杂度和节约成本的目标。

1   大规模天线多用户技术简介

针对大规模天线技术，现有5G协议规范中明确了物理层数据流从码字到逻辑端口的映射的框架。在R15版本中，单站最大支持12层的传输，参考信号的逻辑端口最大数量为32个[7-8]。再通过逻辑端口映射到物理端口，最后再由物理端口映射到实际的大规模天线阵子完成数据流传输。终端侧目前最大支持4层，其整个发送流程与4G系统的前向链路相似。

大规模天线技术通过在发端设置大规模的天线数来进行多用户的空间复用，可以大幅提升网络的速率。经研究发现当发端天线数远大于接收天线数，如果信道环境符合随机矩阵特性，各个用户的信道将会渐进正交，无线信道中的小尺度衰落部分的影响可以忽略不计[1]。这一特点充分说明大规模天线多用户技术拥有非常强的抗衰落能力。此外，由于大规模天线技术可以进行数字或模拟域的波束赋型，可以将发射功率集中在很窄的波束范围内，在提升系统能效的同时，也避免了不必要的干扰。

影响多用户技术的因素主要为以下几点。首先，由于5G实际系统的天线阵子数受硬件设计的约束，很难真正意义上实现远远大于终端的假设。加上实际无线信道环境很可能并不符合随机矩阵的特性，这样一来，信道小尺度部分所带来的衰落影响不再变得微乎其微。尤其是在拥有强直射径的情况下，大规模天线技术的优势往往很难被发挥出来[1]。其次，大规模天线多用户技术的实现依赖于发端编码器和终端检测器的设计，而编码器和检测器所能达到的极限又被CSI获取程度所影响。二者最终的实际表现会受到协议规范和实际收发机算法实现的共同影响。此外，由于大规模天线多用户技术在空域拥有更窄的波束，如何使得在动态变化的环境下快速准确地维持多个收发端波束对链路（BPL），这将是5G大规模多用户技术波束管理需要面对的主要问题。

为了实现对大规模天线多用户的性能进行检测，需要一个稳定可靠的多用户技术性能测试方案，该方案的最终测试结果能对技术本身和影响技术性能的因素进行定量分析，并且需要具备很高的可控性与可复现性。考虑上述影响多用户技术因素，只有无线信道环境是客观的，其余因素均是5G系统协议或产品实现引起的。因此，测试方案中，重点应该具备实现5G大规模天线多用户无线信道建模的能力，并通过对建模的信道进行实现完成相应的技术测试，最终推进5G无线产品和5G协议在大规模天线多用户技术上的升级。本文提出的大规模天线多用户性能测试技术主要包括两个部分，它们分别是多用户无线信道建模技术，和基于无线信道建模后的信道实现测试方案。

2    多用户无线信道建模技术

目前工业界最常用的无线信道建模方法为基于几何的随机信道建模方法，簇时延线（CDL）模型得到业界充分认可[9]。该模型可以实现3D无线信道建模，建模最后的时域信道冲击响应为：

（1）

其中，Hu，sNLOS为模型中的非视距传播（NLOS）部分的信道冲击响应，它由各个不同时延下的簇信道矩阵组合而成。而矩阵Hu，sLOS为视距（LOS）直射径的信道冲击响应。针对多用户技术下的无线信道建模重点是在于对原有基础上的单用户模型进行多用户的拓展，具体过程如下：

首先，应根据多用户与基站之间的摆放位置确定建模中所需要调整的角度，对实际模型中的离开角和到达角进行角度偏转，变换后的角度为：

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

其中，φn，model为变换前模型中的子径角度参数，变量μn，desired为需要变更后的子径角度参数，变量μn，model为原有模型中各簇子径上功率加权平均角度，具体过程可以描述为：

μφ，model=arg        （3）

其中，φn，m为子径的弧度角，变量Pn，m为子径的功率。

其次，为了保证能准确模拟多用户间不同位置的差异性，需要根据每个用户远场和近场的通信条件设立终端天线阵子坐标，远场设立独立坐标系，近场采用统一坐标系。将角度变换所得到的离开角、到达角、用户坐标带入式（1）中，即可得到每条链路上基站到多用户间的整体无线信道模型，最后依据实际情况，通过平面波或球面波理论进行大规模天线模型的生成。

3   信道实现测试方案

5G大规模天线多用户的测试方案主要指的是：根据多用户无线信道模型进行信道实现，构建从基站到5G多终端之间的链路系统。由于基站侧最大支持12层，终端侧最大支持4层，为了充分测试大规模天线下基站和多用户终端的性能，在相同的时频资源上可同时对3个终端进行测试。本节给出多用户性能测试方案，并针对基站或终端分别给出相应的测试建议。

3.1  多用户性能测试方案

关于大规模天线多用户技术性能的测试，重点需要关注多用户技术链路的性能。由于大规模天线是在5G基站侧进行部署，整个测试更倾向于测试基站侧的性能，终端侧仅需要考虑不同终端的信道估计算法，编码器和检测器设计对性能的影响。基于多探头暗室的测试方法在单用户终端的测试中很常见，不同于多用户，单用户的测试重点为终端射频端的设计与天线结构。多用户时考虑暗室建造成本问题，终端侧建议直接采用传导的方式。

测试多用户下的峰值时，需要为每个用户选定两个无干扰的双极化波束位置，根据波束位置来实现4层的信道Hpeak，可以通过调相网络设置虚拟探头位置来实现，或通过在基站侧暗室中设立实际的接收探头来实现，如图1和图2。峰值测试的主要指标为小区总吞吐量或用户平均吞吐量。

针对衰落信道测试，由于当前主流的测试仪表资源端口数量有限，仪表组合最大可支持双向256条链路的测试，因此整个测试系统无法实现64×12即768条链路的模拟。为了解决问题，需要根据建立的多用户无线信道模型，为每个用户选择最主要的波束位置，波束位置对应虚拟或实际探头的摆放位置，通过调相网络或微波暗室进行信道降维。最后每个用户在调相网络或微波暗室的出口处各占4个端口。3个用户共计12个端口，通过后续接信道模拟器来实现衰落信道的相关测试。其中每个用户所对应的无线信道是调相网络或微波暗室中的信道HPSB和信道模擬器中的信道HCE二者的卷积。测试连接图如图3和图4所示：

3.2  多用户基站性能测试

基站侧的测试重点为前向链路的编码器设计、反向链路的检测器设计、基站的资源分配能力以及波束赋型和波束管理情况。表1给出基站侧多用户性能测试能力。

3.3  多用户终端性能测试

类似地，终端侧重点测试终端前向链路的编码器设计、反向链路的检测器设计、终端部分带宽（BWP）能力以及波束赋型和波束管理情况。终端侧的多用户性能测试能力如表2所述：

4   结束语

大规模天线技术下的多用户场景是5G蜂窝系统中的主要组成部分。文章提出了一种以多用户无线信道建模为理论基础，多用户测试系统为实现方法的5G大规模天线多用户测试技术方案，并分别针对基站侧和终端侧给出了相应的测试建议。由于现阶段信道模拟器仪表的端口数量受限，未来将重点研究方案中多用户虚拟或实际探头位置的最优化选取以及如何在最少的信道信息损失条件下实现信道降维。

参考文献：

[1]   RUSEK F， PERSSON D， LAU B K， et al. Scaling up MIMO： Opportunities and challenges with very large arrays[J] . IEEE Signal Processing Magazine， 2013，30（1）： 40-60.

[2]      LU L， LI G Y， SWINDLEHURST A L， et al. An overview  of massive MIMO： Benefits and challenges[J]. IEEE journal of selected topics in signal processing， 2014，8（5）： 742-758.

[3]    YANG LI， YOUNG HAN NAM， BOON LOONG NG， et al. A non-asymptotic throughput for massive MIMO cellular uplink with pilot reuse[C]//2012 IEEE Global Communications Conference （GLOBECOM）. 2012.

[4]    ALRABADI， OSAMA N. Beamforming via large and dense antenna arrays above a clutter[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2013（2）： 314-325.

[5]   WANG C X， BIAN J， SUN J， et al. A survey of 5G   channel measurements and models[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials， 2018，20（4）： 3142-3168.

[6]    W FAN， INES CARTON， PEKKA KY?STI， et al. A Step Toward 5G in 2020： Low-cost OTA performance evaluation of massive MIMO base stations[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine， 2017，59（1）： 38-47.

[7]    3GPP. 3GPP TS 38.213 V15.2.0： Physical layer proce-dures for control[S]. 2018.

[8]    3GPP. 3GPP TS 38.214 V15.2.0： Physical layer proce-dures for data[S]. 2018.

[9]    3GPP. 3GPP TR 38.901 V16.1.0： Study on channel model for frequencies form 0.5 to 100 GHz[R]. 2019.★

作者简介

刘晓龙（orcid.org/0000-0002-4986-5916）：博士毕业于北京邮电大学，现任职于中国信息通信研究院技术与标准研究所，主要研究方向为大规模天线技术，全双工无线技术，自适应调制编码技术，无线产品的性能测试与标准化，已在国内外期刊和会议上发表论文10余篇，申请国内外发明专利3项。

魏贵明：现任中国信息通信研究院技術与标准所无线与移动研究部主任，曾兼任TD-SCDMA专家组办公室主任、TD-LTE工作组办公室主任，长期从事移动通信技术标准、产业组织和发展策略等研究工作。

张翔：博士毕业于北京邮电大学，现任中国信息通信研究院技术与标准研究所主任工程师，主持多项国家科技重大专项科研项目，主要研究方向为大规模天线技术，5G OTA测试方法，基站和终端的射频与性能测试技术，已在国际期刊和会议上发表SCI、EI论文30余篇，申请发明专利20余项。