MIMO系統(tǒng)與波束賦形（下篇）

作者：時間：2023-05-29 來源：KEYSIGHT

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在這篇文章我們來了解下NR 預(yù)編碼碼本的設(shè)計思路，預(yù)編碼與模擬波束賦形在Massive MIMO 上的結(jié)合，以及Keysight Multi Transceiver RF Test Set (E6464A/E6416A)在Massive MIMO 波束賦形測試中的應(yīng)用。

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202305/447086.htm

LTE和NR的一個關(guān)鍵技術(shù)是MIMO傳輸，隨著有源天線陣列(active antenna array)的出現(xiàn)，使得在基站上利用大量的天線單元變得可行。對2D有源天線陣列在每個可用的空間維度進行波束賦形可以對傳播空間的垂直和水平維度進行更好的覆蓋。同時LTE FD-MIMO 以及NR設(shè)計了多達32個數(shù)字天線端口來進行自適應(yīng)預(yù)編碼。隨著sub 6GHz頻譜的可用性越來越有限，具有更多帶寬資源的毫米波頻段被采納入NR 用于蜂窩通信。

與sub 6GHz的無線通信不同，毫米波傳輸具有更多的路徑損耗，使用更多的天線單元進行波束成形使能量更集中對于確保足夠的覆蓋范圍至關(guān)重要。因此在毫米波的蜂窩通信技術(shù)設(shè)計中，僅利用大量數(shù)字預(yù)編碼端口是不可行的。需要將數(shù)字預(yù)編碼與模擬波束賦形結(jié)合，也就是混合波束賦型技術(shù)。在下面的混合波束賦型系統(tǒng)框圖中NR定義了12個DMRS ports, 32 個CSI-RS ports?；疚锢硖炀€的個數(shù)N_T可以多達64, 128, 196等等。

混合波束賦形技術(shù)

MIMO傳輸方案的關(guān)鍵組成部分之一是在基站測獲得信道狀態(tài)信息(channel state information CSI)，特別是對于多用戶MIMO(MU-MIMO)準確的CSI是確保多用戶系統(tǒng)有效的必要條件。不夠精準的的CSI不僅影響多用戶系統(tǒng)中每一個用戶的性能和吞吐受損，同時也會增加多用戶之間的干擾從而進一步惡化系統(tǒng)性能。

LTE Rel 14之前CSI反饋框架是以隱形(implicit)的形式存在的，包括：

· 預(yù)編碼矩陣指示(precoding matrix index – PMI)：對應(yīng)下行信道的特征向量，反應(yīng)信道的空間特性。沿著這些向量的下行信道具有較強能量，并且對應(yīng)著預(yù)編碼碼本中一個索引。

· 秩指示(rank indicator – RI)：下行空間信道支持的獨立數(shù)據(jù)流的個數(shù)。

· 信道質(zhì)量指示(channel quality indicator - CQI)：使用PMI 作為預(yù)編碼向量時的信道強度指示。

Implicit CSI 反饋在計算CSI時存在固有的單用戶假設(shè)，這種implicit的反饋方式對于MU-MIMO傳輸是不足夠的。從Rel 14開始3GPP提供了基于碼本線性組合的高分辨率信道反饋報告機制。從Rel.15 開始 TS38.214 中定義了Type I 和 Type II 兩種碼本。

NR Type -I 碼本

NR Type I碼本專門為SU-MIMO設(shè)計，沿用了LTE的兩步碼本的結(jié)構(gòu)，預(yù)編碼器W=W₁*W₂。W₁捕獲信道中寬帶信息并用來反應(yīng)信道的長期且與頻率無關(guān)的特性，W₂捕獲信道的快速衰落特性及子帶級別的信道信息（多個RB）并對兩個極化方向間的天線進行相位調(diào)節(jié)。Type I碼本支持最高達rank8。

如上篇文章所屬，碼本以及CSI 反饋機制的設(shè)計一直是LTE/NR 標準化中討論最多的部分。這兩點不僅涉及到空間信道反饋信息的精確程度更關(guān)系到整體的信令開銷。3GPP TS 38.214中對碼本以及碼字有詳盡的描述，這里想通過一個簡單的例子帶大家理解下NR Type-I single panel 碼本構(gòu)成。

假設(shè)一個2*2的雙極化天線panel，N₁ =2, N₂=2, O₁=2, O₂=2, rank=1如下圖。

2*2 雙極化天線面板

W₁ 碼本是用來描述一個極化方向上的信道方向性。矩陣因子是由DFT矩陣塊構(gòu)成的，W₁ 中列向量見正交，并構(gòu)成一個beam group。W₁ 中正交列向量的個數(shù)由N₁, N₂, O₁, O₂ 的個數(shù)決定。在本例中O₁, O₂ 均為1。O₁, O₂ 代表在天線陣列排布的兩個方向上DFT過采樣的倍數(shù)，O₁, O₂ 越大每一個DFT向量顆粒度越小，可以更好地描述信道的空間方向性下圖 [2] 所示。

下圖是3GPP 文檔[1] 中對NR Type I兩級碼本設(shè)計的思路的總結(jié)。

[1]

NR Type -II 碼本

Type I 碼本在NR 標準中適用與 SU-MIMO 場景，Type II碼本則是為MU-MIMO設(shè)計的。由于MU-MIMO場景更多解決的是覆蓋問題而不是峰值速率，目前MU-MIMO最多支持單用戶兩流的數(shù)據(jù)傳輸(rank=2)。Type II 碼本采用線性組合（linear combination）碼本，碼本分辨率足夠高，可以更準確地刻畫信道的空間特性。Type II可以被認為是“顯式(explicit)CSI”，也就是說碼本是用來直接描述實際信道的方向和能量，而不是用DFT正交向量去逼近實際信道。因此Type II碼本會有更高的信令開銷。

由于Type II 碼本的細節(jié)過于復(fù)雜本文不做贅述，總結(jié)幾點Type II與Type I碼本的區(qū)別

● Type II CSI的預(yù)編碼矩陣是非恒定模量的，不同的預(yù)編碼向量可以具有不同的幅度。

● W₁ 矩陣選擇一個DFT向量的大小為L的子集（L∈{2, 3, 4}），作為W₂ 進行線性合并的正交基。

● 相對于Type I 碼本，Type II CSI碼本增加了信令開銷用來反饋不同正交基之間進行l(wèi)inear combination幅度和相位。

下圖是3GPP 文檔[1] 中對NR Type II兩級碼本設(shè)計的思路的總結(jié)。

[1]

基于SRS 信號的信道狀態(tài)信息反饋

基于碼本的信道狀態(tài)信息反饋和預(yù)編碼也被稱為GoB (grid of beams)，終端需要在眾多可能的beam中選擇一個或者幾個的組合進行CSI 反饋。

在TDD系統(tǒng)中上下行使用相同頻率進行信號傳輸，因此上下行信道是相同的。因此可以利用上行的SRS導(dǎo)頻信號并經(jīng)過上下行互異性補償算法修正后對下行信道進行估計。但是由于終端的發(fā)射天線數(shù)量一般少于接收天線數(shù)量，在基于SRS的信道反饋及預(yù)編碼時需要通過開關(guān)將單個發(fā)射射頻鏈路切換到不同的接收天線，這稱為SRS發(fā)射天線切換(TAS)。為每個接收天線單獨傳輸SRS，基站能夠直接從接收到的SRS響應(yīng)構(gòu)建一個完整信道矩陣。只要接收到的SRS質(zhì)量足夠高，基站可以確定最佳波束賦形權(quán)重，以最大化下行容量，而不會出現(xiàn)任何量化誤差。

SRS 發(fā)射天線切換示意圖 [2]

波束賦形

預(yù)編碼技術(shù)可以理解為數(shù)字波束賦形?；精@得終端信道狀態(tài)后，在數(shù)字域設(shè)計預(yù)編碼矩陣從而使得從邏輯天線端口發(fā)射的信號具有一定的方向性。每一個邏輯天線端口都對應(yīng)一套基帶-射頻收發(fā)鏈路，包括下圖的Digital BF, DFE, DAC/ACD 以及RF module部分。

NR 標準中一共定義了32 個 CSI-RS ports，可以支持多大32個邏輯天線端口。無論基站有多少個天線單元，終端測只能夠感知到在邏輯天線端口的存在，并對邏輯天線端口的信道進行測量及上報。NR 增加了3GHz – 6GHz的頻段并將FR2的頻率范圍擴展到了毫米波，更短的波長使得大規(guī)模天線陣列的部署成為可能。

下圖中，從conducted test interface 到antenna array panel的映射是實現(xiàn)相關(guān)的，不同基站廠商會有不同的設(shè)計。目前sub 6GHz商用基站可以支持128個天線單元，大多數(shù)廠商會跳過模擬波束賦形直接講邏輯天線端口到物理天線單元的映射簡化，例如直接對幾個天線單元進行并聯(lián)。

Keysight 多收發(fā)大規(guī)模天線陣列測試方案（MTRX）

預(yù)編碼和波束賦型的驗證對massive MIMO 及O-RAN系統(tǒng)的有效性來說至關(guān)重要。在上篇文章中我們介紹了Massive MIMO測試面臨的挑戰(zhàn)。Massive MIMO的性能驗證首先需要提供足夠多的射頻端口數(shù)目，不同射頻端口之間需要相位相參(phase coherent)才能保證波束賦形的有效性。另外還需要軟件對massive MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼及波束賦形算法進行驗證。

Keysight E6464A/E6416A多收發(fā)射頻測試儀(MTRX)。MTRX是一種可擴展的射頻測平臺。一臺E6464A/E6416A可以提供最多64/16個矢量信號分析儀(VSA)和64/16個矢量信號發(fā)生器(VSG)。MTRX內(nèi)置數(shù)字預(yù)編碼和massive MIMO信號加權(quán)矩陣功能，同時支持直通連接選項，可以對網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備進行端到端波束賦形測試。

● MTRX 可以進行sequenced 實時MU-MIMO波束權(quán)重測量，并支持在實時網(wǎng)絡(luò)和終端測試中嵌入RF及波束測量。

● 配合Pathwave 信號生成軟件以及波束賦型Beam weight 文件，MTRX可以生成多端口下行波束賦形信號并通過改變beam weight形成變化的波束來對來進行波束跟蹤，波束重建的波束管理功能測試。

● MTRX可以同時抓取所有射頻端口的接收信號并在內(nèi)置的89600 VSA軟件中實時分析。下圖是利用MTRX 配合89600軟件對一個運行在3.5GHz頻段具有32TRX的O-RU進行的下行信號分析。天線設(shè)置如下圖。

除了傳統(tǒng)的信號質(zhì)量分析外，89600 還可以提供天線權(quán)重，波束方向，波束寬度等分析。

當(dāng)選擇只進行PDSCH的beam pattern分析時，VSA 界面上可以看到PDSCH的beam pattern。在本demo中 PDSCH 指向水平-50度的方向。發(fā)射信號只配置了一個PDSCH DMRS port, 在DMRS MIMO Info 窗口可以看到不同射頻通道上DMRS TAE，frequency offset 及timing offset。