大規(guī)模天線技術研究報告

1、 IMT-2020（5G）推進組大規(guī)模天線專題組技術報告技術報告Technical Report版權聲明 Copyright Notification本文檔由IMT-2020（5G）推進組大規(guī)模天線專題組成員單位起草未經書面許可 禁止打印、復制及通過任何媒體傳播 2015 IMT-2020推進組版權所有 目 錄引言411.11.2Massive MIMO 概述4研究現狀522.12.22.32.42.52.62.72.82.933.13.23.33.43.53.63.73.83.93.1044.155.15.25.35.45.55.666.1MASSIVE MIMO 測量與建模方法9MASSI

2、VE MIMO 信道建模方法9MASSIVE MIMO 信道測量方法12MASSIVE MIMO 信道分析與建模方法16MASSIVE MIMO 信道模型18信道場景分類19MASSIVE MIMO 天線極化模型27MASSIVE MIMO 大尺度信道參數31MASSIVE MIMO 快衰信道模型42信道生成流程53大規(guī)模天線傳輸技術方案613D 波束賦形61TX/RU 虛擬化66數?；旌喜ㄊx形69SINGLE AAS 方案83覆蓋與可靠性增強方案89高移動性場景增強方案90FDD 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的兩級預編碼傳輸方案91FDD 大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中基于用戶特征空間分組的小區(qū)間協(xié)作

3、傳輸方案95大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中基于特征空間分組的小區(qū)間協(xié)作上行導頻分配方法98大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中基于特征波束空間的隨機接入方案104信道狀態(tài)信息測量與反饋112信道狀態(tài)信息CSI 的超分辨率估計方案112大規(guī)模天線陣列設計123天線陣列形態(tài)123天線陣列結構124射頻通道的一致性124波束賦型架構125陣子到端口的映射126大規(guī)模天線系統(tǒng)評估與測試127性能評估131基線仿真假設及部分基線仿真結果131 6.2 分布式 MIMO 的性能評估1326.3 基于用戶特征空間分組的小區(qū)間協(xié)作傳輸方案的性能仿真與評估1366.3.1. 系統(tǒng)仿真參數設置1366.3.2. 仿真結果與分析13

4、7原型系統(tǒng)141中興原型系統(tǒng)141華為原型系統(tǒng)142大唐原型系統(tǒng)143參考文獻14477.17.27.38 第一章 引言1.1 Massive MIMO 概述1.1.1 Massive MIMO 研究需求隨著無線通信技術的發(fā)展，無線網絡的豐富應用帶動了無線數據業(yè)務的迅速 增長。據權威機構預測，未來 10 年數據業(yè)務以每年 1.6-2 倍的速率增長，按照 該增長速度，到 2020 年時數據業(yè)務將增長 500-1000 倍，這將給無線接入網絡帶來了巨大的挑戰(zhàn)，因此這就需要未來通信系統(tǒng)設計能夠更加高效地利用帶寬資源， 大幅度提升頻譜效率。 目前大規(guī)模天線陣列（Massive Multiple Inp

5、ut and Multiple Output, Massive MIMO）系統(tǒng)被認為是未來 5G 最具潛力的傳輸技術之一，它是現有 4G 網絡中 MIMO 技術的擴展和延伸?，F有 4G LTE-A 蜂窩網絡最多支持 8 天線端口并行傳輸，但是更具之前據側數據，未來仍然很難滿足無線數據業(yè)務的增長需求。在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，基站側配置大規(guī)模的天線陣列（從幾十至上千），利用空分多址（SDMA）技術，可以在相同時頻資源上同時服務多個用戶，如圖 1-1 所示，利用大規(guī)模天線陣列帶來的巨大陣列增益、分集增益和多用戶復用增益，可以使得小區(qū)總頻譜效率和邊緣用戶的頻譜效率得到了極大的提升。 圖 1-1 Mas

6、sive MIMO 系統(tǒng)示意圖1.1.2 Massive MIMO 基本原理2010 年 Bell 實驗室的 Marzetta 教授提出通過在基站側使用大規(guī)模天線陣列構成大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)可以大幅度提高系統(tǒng)的容量，文獻1中詳細描述了Massive MIMO 技術理論，其基本原理如下：一方面，當 Massive MIMO 系統(tǒng)中基站側天線數遠大于用戶端數，根據概率統(tǒng)計學原理，基站到各個用戶的信道趨于正交，因此用戶間干擾很弱；另一方面，基站側的大規(guī)模天線陣為每個用戶帶來了巨大的陣列增益， 從而提升每個用戶信號傳輸的信噪比， 從而使得 Massive MIMO 可以為多個用戶提供同時同頻、高質量

7、的通信。研究結果表明：在 20MHz 帶寬的同頻復用 TDD 系統(tǒng)中，每個小區(qū)用 MU-MIMO 的方式服務 42 個用戶時，即使 小區(qū)間無協(xié)作且接受或者發(fā)送只采用簡單的最大比接收或發(fā)送（MRC/MRT）方式時，每個小區(qū)的平均容量也可高達 1.8Gbps 1。 Massive MIMO 技術的使用除了可以帶來系統(tǒng)容量提升外，還會在信號處理算法、節(jié)能以及硬件實現方面帶來諸多好處。首先，由于用戶間信道趨近正交， 所以 Massive MIMO 系統(tǒng)中的多種線性 MIMO 空間處理方法，包括 MRC/MRT, ZF, MMSE 的性能趨于一致，采用最簡單的線性處理方法就可以達到良能，這大大降低了大規(guī)

8、模天線帶來的基帶信號處理的復雜度，從而使得現有基帶芯片可以 有能力去實時處理幾百個天線單元采集的信號。其次，Massive MIMO 技術可大幅度降低基站的功耗和成本，使其商用化成為可能。在保證終端接收功率不變的情況 下，采用 M 個天線的基站比單天線基站從理論上可使基站總發(fā)射功率降低為單天線基站發(fā)射功率的 1/M，單個天線的發(fā)射功率降低為 1/M2。在使用大規(guī)模天線陣列的情況下，單個天線發(fā)射功率可以降至很低，我們可以采用低功率的功放甚至不 采用功放來完成射頻信號傳輸，這比目前基站普遍采用的大功率功放更易實現，效率更高。最后，隨著集成電路技術的進步，可以在成本很低的單個芯片中集成單個天線對應的

9、射頻通道以及相應的模數（ADC：Analog-to-Digital Conversion）和數模（DAC：Digital-to-Analog Conversion）轉換單元（類似于傳感器網絡中的傳感節(jié)點）。這樣，即使采用數百個天線單元，其成本也不會高于當前體積龐大的高功率基站，從而使得 Massive MIMO 比當前基站更符合綠色節(jié)能的要求。 1.2 研究現狀Massive MIMO 技術自提出后便成為了學術界與產業(yè)界的一大關注熱點，引起了研究機構、運營商、設備商等的極大興趣，并且紛紛加大了對 Massive MIMO 技術的研究，也取得了一系列的研究成果。2010 至 2013 年間，Be

10、ll 實驗室、瑞典的 Lund 大學、Linkoping 大學、美國的 Rice 大學等引領著國際學術界對massive MIMO 信道容量、傳輸、檢測與 CSI 獲取等基本理論與技術問題方面的探索。在這些研究中，阿朗的貝爾實驗室起到了很大的推動作用，他們發(fā)表了多篇針對該技術的理論分析論文，并在 2011 年 2 月的 Green Touch 技術討論會上演示了 Massive MIMO 的原型機，在演示過程中展現了 Massive MIMO 系統(tǒng)在節(jié)能、干擾抑制等方面的優(yōu)勢和潛力。 1.2.1 國際標準組織 3GPP 研究現狀3GPP 標準化組織目前正在進行 3D-MIMO 信道建模工作，該

11、工作完成后會開展 3D-MIMO 的標準化方案設計，后續(xù)將根據標準化進展逐步開展更多天線數目的MIMO 技術研究工作。3GPP 在 2013 年針對 Massive MIMO 進行了一些討論，如文獻34。文獻3中建議 3GPP 對適合 3D MIMO 和 Massive MIMO 的信道模型進行立項研究，主要目標是“Identify the typical usage scenarios of UE- specific beamforming and massive MIMO”，并且對 UE 在垂直維度上的分布以及信道在垂直維度上的特征進行建模。文獻4中建議 3GPP 對 Massive MI

12、MO 展開全面的研究，研究內容主要包括：確定 Massive MIMO 典型的天線配置，包括天線數量，天線形態(tài)，天線間距以及天線的增益圖等；研究 Massive MIMO 系統(tǒng)適用的頻率范圍；研究 eNode-B antenna calibration errors 的影響；研究適 合 Massive MIMO 的導頻設計和反饋技術；分析實現 Massive MIMO 基站和 UE 的復雜度問題；評估小區(qū)邊緣干擾降低和系統(tǒng)性能提高效果；分析 Massive MIMO RF 需求與指標等。 1.2.2 國外研究現狀為了形成 5G 產業(yè)發(fā)展構建基礎性的核心技術解決方案，國外的大學和公司近期已經開展

13、了面向第五代移動通信大規(guī)模天線協(xié)作情況下的有源集成化陣列天線的原型驗證開發(fā)工作。 2012 年，瑞典 Linkiping University 、瑞典 Lund University 和貝爾實驗室合作開發(fā)了工作于 2.6GHz 的 128 天線陣列，包含兩種形式，一個圓形陣列 和一個線形陣列，如圖 1-2 (a)、(b)所示。圓形陣列由 128 個天線端口組成。天線陣列由 16 個雙極化的貼片天線單元組成，放置在圓柱形載體上，4 個這樣的陣列層疊組成一個大的圓柱形陣列天線。這個陣列的優(yōu)點不止是結構簡單小巧， 另外為解決在不同的俯仰角的散射問題方面提供了可能，但是由于口徑的限制， 在方位面分辨率

14、不高。線性陣列由一個相同的單元位移 128 個位置組成一個純線形陣列。信道的實測結果表明，當總天線數超過用戶數的 10 倍后，即使采用 ZF 或 MMSE 線性預編碼，也可達到最優(yōu)的 DPC 容量的 98%，該結果證實了當天線數達到一定數目時，多用戶信道具有正交性，進而保證在采用線性預編碼時仍可逼 近最優(yōu) DPC 容量，由此驗證了 massive MIMO 的可實現性。 (a)圓柱型陣列天線(b)線性陣列天線圖 1-2 瑞典和貝爾實驗室合作開發(fā)的 128 天線陣列 2012 年，在土耳其舉行的移動計算與網絡大會（MobiCom12）上公開報道了世界上第一款真正實現的多天線多用戶波束成形系統(tǒng)Ar

15、gos， 如圖 1- 3(a) 、(b)所示，它是由美國萊斯大學、貝爾實驗室和耶魯大學開發(fā)的，工作于 2.4GHz 頻段。Argos 由 WARP 板、商用的時鐘分配板、商用 PC 和以太網網關組成。在最初的原理樣機中，系統(tǒng)包含一個中心控制器、一個 Argos 中心和 16 個模塊，每個模塊包含 4 路射頻通道。中心控制器由一臺 PC 機組成，它利用 MATLAB 發(fā)送數據、權值、控制命令等射頻模塊。Argos 中心由一個 24 端口的以太網網關、一塊時鐘分配板和一塊 WARP 板組成，WARP 板利用 GPIO 管腳提供傳輸同步復用，同時 WARP 板也充當了射頻模塊。每個射頻模塊由一塊 W

16、ARP 板、四個射頻子板和 4 根天線組成?；居砂?64 根天線的 16 塊 WARP 板組成，它們被安裝 在一個架子上。根據對經過波束賦形之后的接收信號、多用戶干擾與噪聲的實測數據，該系統(tǒng)的和容量可以達到 85bps/Hz，而且在總功率為 1/64 的情況下也可以達到 SISO 系統(tǒng)頻譜效率的 6.7 倍。在此基礎上，2013 年萊斯大學又開發(fā)了Argos V2。 (a)Argos 正面(b)Argos 背面圖 1-3 美國萊斯大學、貝爾實驗室和耶魯大學開發(fā)的 Argos 天線系統(tǒng) 2013 年，丹麥 Aalborg University 和貝爾實驗室開發(fā)了工作于 2.45GHz 的96

17、 天線單元的圓柱形陣列和工作于 56GHz 的由 64 根單極子天線組成的矩形陣列,如圖 1-4 (a) 、(b)所示。圓柱半徑r = 2.17l ，陣列由 24 列單元組成，每列的間隔是0.55l ，每列由 4 個貼片天線組成。 (a)圓柱形陣列(b)矩形陣列圖 1-4 丹麥 Aalborg University 和貝爾實驗室開發(fā)的 64 單元有源天線系統(tǒng)除了國外大學，韓國三星、瑞典愛立信等公司也都在積極地組織對 3D/FD MIMO 與 massive MIMO 的研究與原型演示平臺開發(fā)活動，這些工作都將為 massive MIMO 技術實用化發(fā)展的打下重要基礎。 1.2.3 國內研究現狀

18、中國政府對 Massive MIMO 技術領域的發(fā)展也非常重視。我國的 5G 研究與標 準化組織 IMT-2020 推進組于 2013 年底專門成立了大規(guī)模天線技術專題組，該組織集中了國內研究院所、運營商、設備商以及高等院校中相關技術領域的核心單位，啟動了對面向 5G 的大規(guī)模天線技術的研究與標準化工作。此外，2012 年國家重大專項啟動了針對 64 天線的 3D-MIMO 技術的研究項目立項工作，2014 年863 計劃啟動了針對 128256 天線的 massive MIMO 技術（1 期）的立項工作， 并將在后續(xù)的 2 期及 3 期階段中持續(xù)推動該技術的研究、驗證與標準化工作。 國內對于

19、大規(guī)模天線研究主要進行的是信道建模、信道估計、傳輸技術的研究，如華為、清華、北郵等，一些設備商和運營商也展開了大規(guī)模天線樣機的開發(fā)。比如：大唐電信開展了 2013 國家科技重大專項 3D-MIMO 技術研究與驗證方面的工作，其采用 64 通道的二維平面天線陣，如圖 1-5 所示。在國家 863 計劃項目高效能 5G 無線傳輸關鍵技術研發(fā)中，擬開發(fā) 8 套每套支持 16 個天線單元的分布式天線和 1 套支持 128 天線單元的集中式大規(guī)模天線，該項目于 2014 年 1 月至 2016 年 12 月實施。 Array(1,1)CAL(1,1)Array(1,8)CAL(1,8)Fiber1Arr

20、ay(2,1)CAL(2,1)Array(2,8)CAL(2,8)Array(3,1)CAL(3,1)Array(3,8)CAL(3,8)Array(4,1)CAL(4,1)Array(4,8)CAL(4,8)Fiber4Array(5,1)CAL(5,1)Array(5,8)CAL(5,8)Array(6,1)CAL(6,1)Array(6,8)CAL(6,8)Array(7,1)CAL(7,1)Array(7,8)Fiber7CAL(7,8)Fiber8Array(8,1)CAL(8,1)Array(8,8)CAL(8,8)CAL圖 1-5 64 通道的二維平面天線陣電路結構圖 中興通訊也

21、正在進行 256 天線 Massive MIMO 原型機的開發(fā)驗證，采用基帶數字波束成形和射頻波束成形兩種波束賦形技術，預計原型機推出時間為 2015 年。中電 54 所也對 Massive MIMO 的關鍵技術展開了研究，包括大規(guī)模新型天線系統(tǒng)架構、寬帶小型化天線輻射單元，小型化一體化射頻收發(fā)單元、基于強電磁耦合不規(guī)則布陣情況下的方向圖成形算法、大規(guī)模天線協(xié)作系統(tǒng)分步式數字信號后處理及評估測試等關鍵技術，近期將推出原理樣機。另外，中國移動對 Massive MIMO 系統(tǒng)中的關鍵技術也展開了多方面的研究，包括多場景中的新型信道建模研究、支持大規(guī)模天線的創(chuàng)新傳輸方案研究、高效能、低成本、實用化

22、、可擴展的靈活部署方案和系統(tǒng)性能仿真評估，具體關鍵技術包括：波束成形、預編碼、空時碼/信號處理等方案、大規(guī)模天線協(xié)作與干擾消除算法、天線校準與分布式處理算法、基于手機射頻芯片的基站射頻系統(tǒng)設計、新型射頻功放研究、有源天線硬件設計與工藝、天線部署方案研究、不規(guī)則天線陣列的優(yōu)化算法研究等，并與相關設備廠商合作開展 3D- MIMO 的樣機研制和大規(guī)模天線演示驗證系統(tǒng)。 功率合成 /分配器 RRU8基帶板3RRU7RRU6基帶板2Fiber5RRU5Fiber6RRU4RRU3基帶板1Fiber2RRU2Fiber3RRU1 第二章 Massive MIMO 測量與建模方法2.1Massive MI

23、MO信道建模方法為了實現 Massive MIMO 信道建模，一方面要實現天線陣列模型的 3D 化，并將天線陣元同時拓展到水平及垂直維度以實現天線陣元的大規(guī)?；?； 另一方面從傳播信道的角度考慮，摒棄現有模型 2D 空間傳播的假設，還原信號的真實傳播機制，將垂直角信息應用于參數化的多徑分量，完成 3D 傳播機制的建模。以 2D 信道模型為基礎，將 3D 大規(guī)模天線陣列模型與 3D 空域大尺度模型合理的融入現有模型中，實現 Massive MIMO 信道建模。 天線陣列建模:在天線陣列建模方法上，一方面要考慮天線陣元在 3D 空間上天線增益， 同時也要建模出可以在水平、垂直兩個維度同時拓撲的天線陣

24、列。Massive MIMO 的應用主要分為集中式（ centralized antennas ） 與分布式 （distributed antennas）兩類，如圖 2-（a）所示。對于集中式大規(guī)模天線系統(tǒng)，所建議的大規(guī)模天線陣列主要包括在傳統(tǒng)線性天線陣列基礎上擴展的大規(guī)模線性天線陣列（ULA：linear antenna array），在水平和垂直兩個 空間維度同時擴展的矩形平面天線陣列（rectangular antenna array）和圓柱天線陣列（cylindrical antenna array）。而對于分布式大規(guī)模天線系統(tǒng)，其天線陣列模型可以沿用考慮 3D 陣元響應的傳統(tǒng)線性天線

25、陣列模型。 大尺度參數建模:對于分布式天線的大尺度參數建模要考慮 3D 空間傳播特性參數的建模， 主要針對垂直維度傳播特性的建模，包括角度擴展值建模，大尺度相關性建 模以及簇參數建模。 而對于集中式天線除了要考慮上述因素外還需要考慮空間參數的非平穩(wěn)特性。由于天線尺寸的增加，特別是針對大規(guī)模線性天線陣列，使得信道空間特性平穩(wěn)（平面波）的假設不再成立，各個天線陣元所觀測到的散射體不同，其所受到的陰影衰落也不再相同，如圖 2-（b）所示。因此在對此類天線陣列進行信道建模時考慮信道的非平穩(wěn)特性，將陣列劃分為若干簇可見 （平穩(wěn)區(qū)），在每個區(qū)間上仍以平面波假設進行建模。而對于在水平垂直兩維度同時增加陣元數

26、的 3D 天線陣列，其天線在兩個維度的尺寸并不足以引起空間非平穩(wěn)特性，因此對于此類天線陣列只需在信道模型中考慮 3D 大尺度參數的建模。 DistributiedRectangularLinearCylindrical（a）大規(guī)模天線系統(tǒng)示意圖用戶1將大尺寸天線陣列劃分為多個平穩(wěn)區(qū)Antennaarray對大尺寸天線陣列平面波假設不再適用用戶2 （b）大規(guī)模線性天線陣列信道建模示意圖 圖 2-1 大規(guī)模天線系統(tǒng)與大規(guī)模線性天線陣列信道建模示意圖值得注意的是：Massive MIMO 天線大尺寸造成的空間特性不平衡，但在實際測試中，這種不平衡特性只在大量天線（例如：128 天線錯誤!未找到引用源

27、。）排布同一緯度上時發(fā)生。在實際天線架設中，天線在平面陣上排布， 單一維度的天線尺寸沒有那么大。因此，天線尺寸的不平衡特性，我們這里只作分析，并作為后續(xù) Massive MIMO 信道擴展。 3D MIMO 信道模型建模方法：按照傳統(tǒng) 2D 信道模型錯誤!未找到引用源。，基于幾何統(tǒng)計信道建模的思想去分析，無線通信單鏈路在二維空間下的衰落信道模型可以如圖 2-所示。 lthmth subpathpathRXfnfvrx ,l ,mxtlftx , ,l mTXy( N )xy( N )圖 2-2 二維空間下的衰落信道模型 可以看出無線信號遇到可分辨出的平面散射體，經散射到達終端形成多徑（path

28、）分量，這種可以識別出的多徑分量也被稱之為簇（cluster），每一個簇通過傳播時延，水平到達角，水平接收角進行參數化。而一個簇又包含著若干不可分辨的子徑（sub-path），通過這些不可識別子徑的疊加滿足各簇的包絡統(tǒng)計特性。同時在二維信道模型中，鏈路兩端的天線陣列模型只允許線性陣列這一類型的天線配置。 信道模型的 3D 化，在原有 2D 模型基礎上引入垂直維度參量來更加實際的參數化傳播環(huán)境的多徑分量，到達角度定義為 = qrx,frx，離開角度定 義為 = qtx ,ftx。從而將在水平面上分布的散射體擴展到三維空間上，更加準確地還原實際無線傳播環(huán)境。3D 化后的信道模型可以用圖 2-表示。

29、 TXzRXzqtx , ,l mvqrx , ,l mxxf tx ,l ,mfrx, ,l mtlth pathly( N )y( N )mth subpath圖 2-3三維空間下的衰落信道模型如圖 2-，對于一個具有U S 維的 MIMO 系統(tǒng)，無線信道環(huán)境下包含了多個 3D 散射體。多徑分量參數，如離開角，到達角，路徑時延以及移動方 向，被定義在同一坐標系中。參數qtx,l 和 qrx,l表示第l 個多徑分量的垂直維度參數（離開角和到達角）。因此，基站端一側的角度信息可以表示為 l,m = qtx,l,m ,ftx,l,m，而移動端的角度信息可以表示為l,m = qrx,l,m ,fr

30、x,l,m，信道空域傳播特征可以用這四個參數來定義。 通過引入垂直角度qtx,l 和 qrx,l ，標準化的 IMT-Advanced 2D 信道模型實現 了向 3D 模型轉化。那么發(fā)射天線 s 到接收天線 u 的第l 個徑的信道沖擊響應可以表示為 Frx,u,J (l,m )T a l,m,J,Jal,m,J,j Ftx,s,J (l,m )Mhu,s (tl;t) = F) ) a Fa(m=1 l,m,j ,Jl,m,j ,j tx,s,jl,mrx,u,jl,mexp( j2pl-1( r) exp( j2pl -1( r) exp( j2p ft)0l,mrx,u0l,mtx,sd

31、,l ,m（2.1.1）其中l(wèi)0 表示載波的波長。徑的數目用l 表示，子徑的數目用m 表示。矩陣 定義了接收天線和發(fā)射天線的遠場天線響應，其中J 和j 表 Frx,u和Ftx,s示極化天線的兩個正交極化分量。rrx,u 表示了第 u 個接收天線到第一個接收 天線的空間矢量距離。對于發(fā)射端來說，rtx,s 和rrx,u 具有同樣的意義。參數 tl ,fd ,l,m , l,m 以 及 l,m分別表示了第( l, m )子徑的傳播時延，多普勒 頻偏，離開角和到達角。同時第( l, m ) 子徑的從 p1 極化分量到 p2 極化分量 的極化矩陣元素可以表示為al,m, p , p 。 1 2需要進一

32、步說明的是，在 LOS 環(huán)境下發(fā)射天線 s 到接收天線 u 的第l 個徑的信道沖擊響應可以表示為 1h (t ;t) =h(t ;t)u,slu,slK +1RKRFrx,u,J (l,m )T a l,m,J,J0 Ftx,s,J (l,m )+d (l-1)+ ) F)a(F(0K1 l,m,j ,j tx,s,jl,mt)rx,u,jl,mRexp( j2pl -1( r) exp( j2pl -1( r) exp( j2p f0l,mrx,u0l,mtx,sd ,l,m（2.1.2）其中d () 為 Dirac 函數， KR 為萊斯 K 因子。2.2 Massive MIMO 信道測量

33、方法 為了實現準確可靠的 Massive MIMO 信道建模，獲得基于測量的統(tǒng)計信道模型，就必須采集到包含 3D 信道參數的信道沖擊響應，統(tǒng)計出空間傳播特性。這就要求搭建出可以完成 3D 信息采集的信道測量平臺，包括精密同步的接收發(fā)射裝置，大規(guī)模測試天線陣列以及數據采集裝置。此外根據Massive MIMO 應用場景需求進行多場景的信道實際測試。在采集到各個場景下包含 3D 信道信息的信道沖擊響應之后，需要利用高精度參數估計算法從信道響應中提取出包含垂直角在內的信道參數，用于后續(xù)的數據 分析和信道建模。測量平臺搭建以及天線:為從實際環(huán)境中獲取真實信道沖擊響應（CIR ： Channel Imp

34、ulse Response），并提取出空間信道參數作為后期建模的基礎，需要搭建具有精確同步，高可靠性的測量平臺，并采集到典型部署環(huán)境（包括室外到室內、城市宏小區(qū)、城市微小區(qū)等 3D 散射環(huán)境豐富的場景）下的 3D MIMO 信道傳播特性數據?？紤]到測量數據必須能夠同時提取出基站和移動終端的水平垂直角度，極化旋轉等參數，選用合適的測量天線，測量設備，以搭建完善測量平臺顯得尤為重要。 如圖 2-所示，信道測試設備 Propsound 的工作原理是基于 TDM-MIMO 模式，由于測量系統(tǒng)的收發(fā)兩端分別采用多天線陣列進行信道測量，在發(fā)送端發(fā)送偽隨機（PN：pesudo-noise）序列，通過高速的切

35、換開關從多個天線上發(fā)送信號；同樣的，接收端通過高速切換開關依次從各個接收端口接收到每個發(fā)送天線上傳來的信號，然后匹配濾波進行相關接收，得到信道沖激響應，并且可以實時顯示。發(fā)送機和采用高精度的銣鐘進行精確的同步。 圖 2-4 Propsound 信道測量設備 假設發(fā)送天線陣元數為 M ，接收天線陣元數為 N 。參考圖 2-所示的 TDM時序關系， Tg 為高速開關在切換時的保護間隔， Tsc為接收天線單個陣元的激活時間， Tr 為接收天線陣元的激活時間和陣元間的切換時間的總和，有Tr Tsc 。某一發(fā)射天線陣元激活的時間為Tt ，所有的發(fā)射天線陣列與接收天線陣列激活一次的時間為Tcy 。 Cyc

36、le 1TcyCycle 2 Tt12M1Switch 1Tg12nN12nN12nN1 2nNSwitch 2TscTrTtTcytimet0圖 2-5 TDM 模式的時序結構圖在傳統(tǒng)的蜂窩網絡中，為了提高頻率復用率和系統(tǒng)容量，在基站側通常使用具有一定方向性的扇區(qū)天線。信道測量所選擇的標準天線陣列包括雙極化全向陣列（ODA ：Omni-Directional Array）和雙極化均勻平板陣列（UPA ： Uniform Planar Array）。各種標準天線陣列的參數列于表 2-1 與表 2。 為了使得測量參數更貼近于實際網絡，我們在基站（BS）端選擇具有垂直角分辨能力，水平響應為扇區(qū)狀的

37、 UPA 作為測量天線。而在移動臺端（MS），由于電磁波的水平到達角度會在各個方向等概率出現，因此選擇具有垂直角分辨能力，水平維度具有相近天線增益的 ODA 作為測量天線。 值得注意的是：在 0 節(jié)中我們討論了 Massive MIMO 天線大尺寸造成的空間特性不平衡。但由于不平衡特性發(fā)生在單一維度大尺寸的情況下，而在實際應用中更加普遍的配置為水平和垂直的天線平面，因此初始階段的信道建模中不單獨考慮空間不平衡特性，只作為后續(xù)的研究內容。因此也不需進行該 場景（大尺寸線性天線陣列系統(tǒng)）下的進行信道測量，重點完成大規(guī)模平面天線陣列系統(tǒng)下的信道模型。由于所選測試天線陣列在空域上的分辨力為2，覆蓋范圍

38、與分辨能力滿足大規(guī)模天線系統(tǒng)需求，足以獲得完整的信道參數信息，因此無需架設上百的天線陣元來完成信道測量。在信道的實際測試中，我們仍選用振子數為 56 的全向天線和振子數為 32 的平面天線陣列天線。 表 2-1 全向陣列（ODA）表 1-2 平面陣列（UPA）名稱 UPA 天線輪廓 類型 45雙極化貼片天線 中心頻率 3.5GHz 名稱 ODA 天線輪廓 類型 45雙極化貼片天線 中心頻率 3.5GHz 陣元數 56 角度 范圍 方位角 -180180 天線3D 響應 仰 角 -5590 信道參數估計方法:通過信道測量，能夠獲得實際傳播環(huán)境下的信道沖激響應。在此基礎上， 可以進行各類信道特征參

39、數的提取，包括大尺度衰落參數和小尺度衰落參數。大尺度衰落參數，即路徑損耗和陰影衰落，可以直接通過信道沖激響應的計 算得到。相比之下，小尺度參數的提取更加復雜。由寬帶 MIMO 信號模型可 知，寬 帶 MIMO信 道 中 的 每 一 條 徑 l 都是由 參數集合 l = A ,lt ,l f,qrf, x ,l 唯一標識的，其中的元素分別代表第l 徑信t ,xql,tfx, l號的極化復矩陣、時延、發(fā)送端的 AoD、ZoD、接收端的 AoA、ZoA、多普勒頻移。要從信道沖激響應中精確的提取出這些參數，需要一種高分辨率的、聯(lián)合的信道參數估計算法。在測試中，充分考慮到參數估計過程中數據迭代計算的復雜

40、度，選擇采用了空間交替廣義期望最大化算法（SAGE：Space Alternating Generalized Expectation Maximization）作為提取信道參數集合的信道參數估計算法。 在經典信號估計理論中，最大似然估計（MLE：Maximum Likelihood Estimation）方法是計算最小方差無偏估計量（MVU：Minimum Variance Unbiased）的一種替代形式。SAGE 作為 MLE 的改進算法，在每一輪迭代中只重估計參數集l = Al ,tl ,frx,l ,qrx,l ,ftx,l ,qtx,l , fd ,l 中的一個或幾個參數，而保 持

41、其它參數不變。當這一個或幾個參數被重估計后，再利用它們來估計其它 的參數。這樣，SAGE 算法就在原算法的基礎上進一步降低了計算的復雜程 度，即將 L 個 7 維的優(yōu)化過程分解為7L 個 1 維的優(yōu)化過程。其中， L 的值定為 100。 2.3 Massive MIMO 信道分析與建模方法 Massive MIMO 信道建模關鍵部分就是對天線陣列以及垂直維度信息的 陣元數 32 角度 范圍 方位角 -7070 天線3D 響應 仰 角 -7070 建模，而相比于天線建模，垂直維度大尺度特性的建模需要通過實際測量來統(tǒng)計其數學模型。因此在測量之后就要對提取出的角度信息進行統(tǒng)計分析。比較突出的統(tǒng)計特征

42、包括了垂直角度在空間的分布情況，即功率角度譜；其次是用于刻畫垂直角度的彌散程度的角度擴展值；由于垂直角大尺度特征與其他大尺度參數存在一定的相關性，因此需要量化出大尺度參數之間的相關性矩陣。有了這些數學統(tǒng)計值及其模型，就可以準確全面的建模出 3D 空域傳播環(huán)境，繼而完成 3D MIMO 信道模型。 功率角度普（PAS）：角度功率譜（PAS: Power Angular Spectrum）直接表征了功率在角度域內的分布。SAGE 算法能從信道沖激響應中估計出每一條徑的離開角、到達角和極化矩陣，則第l 條徑的功率Pl 可以計算為 22Pl = al , p1, p2 p1 =1 p2 =12（2.3

43、.1）其中a l, p , p代表在第l 徑中以第 p1 種極化方式發(fā)送信號，以第 p2 種極化方式1 2接收信號的復增益。得到各徑的功率后，角度功率譜P (f )可以重構為P (f )=lPl,f = f。（2.3.l2）角度擴展值（AS）：角度功率譜能直觀的反映功率在空域的色散情況。而在評價信道的空域色散程度時，常使用均方根角度擴展作為度量。均方根角度擴展定義為角度功率譜 P (f )的二階中心矩的平方根。但由于在極坐標系中存在-p 和p 重合 的模糊問題，經驗數據表明，均方根角度擴展只適用于徑集中在小角度范圍內的情形，否則將過大估計角度散射的程度。 角度擴展計算為Ll()2f - mPl

44、o AS=l =1（2.3.3）L lPl =1其中 L 表示 SAGE 結果中徑的總數， Pl為第l 徑的功率， m 定義 Lfl Plm = l =1（2.3.4）Ll =1Pl一般認為，同一個測量場景下的角度擴展樣本滿足對數正態(tài)分布，即有()s N m,slgAS2（2.3.5）其中N (m,s 2 )表示均值為 m ，方差為s 2 的正態(tài)分布。大尺度相關性： 大尺度參數相關性表征了大尺度參數彼此之間的依賴程度，其計算方法為( x - x )( y - y ) 。rXY=（2.3.6）( x - x )2 ( y - y )2其中 x 與 y 均表示大尺度參數。2.4 Massive M

45、IMO 信道模型 現有無線通信系統(tǒng)應用的頻譜集中于低頻段（3GHz 以下）和中頻段（36GHz），該頻段傳輸損耗較小，有利于信號傳輸。但是在 6GHz 以下的中、低頻區(qū)域可用頻譜稀少。為滿足日益增長的用戶數據需求，需要大幅提高頻譜效率。Massive MIMO 技術能夠為這部分頻譜資源的效率提供可觀的增益。 另一方面，中、低頻信道特性已經經歷了多年的研究。其中的大尺度特性，小尺度特性都有比較系統(tǒng)的研究方法和實際測試結論，這為 Massive MIMO 的研究應用提供很好的技術支持。3GPP RAN1 研究的最新 3D 信道模型為幾十家全球主流公司共同測量和研究的結果，其頻率范圍至少可以用于2G

46、Hz6GHz 頻譜范圍。因此，中低頻的信道模型可以基于該模型進行擴展研究，減少研究成本和時間。 值得注意的是，由于天線尺寸與載波頻率成反比，在中低頻率上， Massive MIMO 需要較大的天線尺寸。因此，Massive MIMO 在中低頻段的天線設計需要考慮整體尺寸、成本和性能增益。 Massive MIMO 技術的研究可以擴展為 6GHz 以上的高頻段范圍。6GHz 以上頻段擁有較豐富的頻譜資源，信號傳輸可以實現寬帶化。另外，高頻段載波波長較短，天線尺寸可以大幅減小，有利于 Massive MIMO 設備的安裝。高頻段信號傳輸衰減明顯，特別是雨衰、雪衰以及空氣對于電磁波的吸收， 是的信號

47、覆蓋范圍極大受限，而現階段的高頻部分特性研究還不夠充分，缺少深入的理論研究和實際信道測試結果。另外，高頻器件的精度會極大影響Massive MIMO 的應用。因此，高頻段信道建模作為后續(xù)的補充，并由 IMT- 2020 頻譜組給出模型，這里不再討論。 2.5 信道場景分類 室外宏覆蓋（UMa）UMa 場景是移動通信的主要以及最重要應用場景之一，在實際環(huán)境中占有較大比例。首先，UMa 場景中用戶分布較為密集，隨著用戶的業(yè)務需求的增長，對于頻譜效率的需求也越來越高；其次，UMa 場景需要提供大范圍的服務，在水平和垂直范圍，基站都需要提供優(yōu)質的網絡覆蓋能力以保證邊緣用戶的服務體驗。Massive M

48、IMO 技術能夠實現大量用戶的多用戶（ MU： multiple users）配對傳輸，因此頻譜利用率能夠大幅度提高，滿足 UMa 場景頻譜效率的需求。另外由于 Massive MIMO 的能夠提供更為精確的信號波束，因此能夠增強小區(qū)的覆蓋，減少能量損耗，并利于干擾波束間協(xié)調，有效提高 UMa 場景的用戶服務質量。 UMa 集中式場景的具體參數可以參考 3GPP RAN1 最新通過的 3D 信道模型： 基站間距（ISD）被定義為 500 米；樓層分布：48 層均勻分布，層高 3 米；基站高度為 25 米；用戶分布：20%室外，80%室內且均勻分布在 8 個樓層中；基站發(fā)射功率: 49/52dB

49、(20MHz/40MHz)；室外微覆蓋（UMi）室外微覆蓋主要用在一些業(yè)務量較高的熱點區(qū)域用來擴容，以及在覆蓋較弱的區(qū)域用于補盲。在業(yè)務熱點區(qū)域，比如火車站的露天廣場等場所，用戶密集，業(yè)務量較大，可通過大規(guī)模天線系統(tǒng)進行擴容。UMi 場景是另一個移動通信應用的主要場景，一般為市內繁華區(qū)域，建筑物分布和用戶分布都相對密集，UMi 場景中的基站需要對大量的用戶同時進行服務，對于系統(tǒng)頻譜效率的要求較高；同時，在 UMi 場景中，信號傳輸環(huán)境相對復雜，傳輸損耗較大， 因此需要有效的傳輸和接收方式提高信號傳輸效率；另外，UMi 場景中小區(qū)之間相對距離較小，小區(qū)間干擾較大，服務質量受干擾限制，尤其是邊緣用

50、戶的性能受干擾影響明顯，因此需要有效的干擾協(xié)調和避免技術。 基站間距 200 米；樓層分布：48 層均勻分布，層高 3 米；基站高度為 10 米；用戶分布：20%室外，80%室內且均勻分布在 8 個樓層中;80%室內（在 4-8 層高的樓宇的各樓層間均勻分布）； 20%室外（水平面內均勻分布）； 基站發(fā)射功率: 49/52dB(20MHz/40MHz)；室外高層覆蓋（High-rise）對于大多數城市都會有高層建筑（20-30 層），且分布不均勻，這些分布不均的高樓被 4-8 層的一般建筑所包圍。高層建筑的覆蓋需要依賴室內覆蓋，對于無法部署室內覆蓋的高樓，可以考慮通過周圍較低樓頂上的基站為其提

51、供覆蓋，通過 3D-MIMO 技術形成垂直維度向上的波束，為高層樓宇提供信號。類似地，在一些山區(qū)，也可以通過 3D-MIMO 技術為高地提供信號覆蓋， 主要是利用大規(guī)模天線系統(tǒng)在垂直方向的覆蓋能力。High-rise 場景由于在 3DUMa低樓層的情況下基本與 3D-UMa 相同，故在標準化內使用的名稱為with one high rise per sector with 300m ISD。 基站間距 300 米；樓層分布：每小區(qū) 1 個高層建筑，樓高為 2030 層；布，其他樓高為 48 層均勻分布，層高 3 米；典型場景：O-2-I 方式覆蓋高層建筑；基站高度為 25 米；用戶分布：20%

52、室外，80%室內且其中 50%在高樓中;80%室內（在 20-30 層高的樓宇各樓層間均勻分布）； 20%室外（水平面內均勻分布）；基站發(fā)射功率：49/52dB(20MHz/40MHz)；室內微覆蓋室內覆蓋是移動通信需要重點考慮的應用場景。據統(tǒng)計，未來 80%的業(yè)務發(fā)生在室內。室內覆蓋最重要的需求是大幅提升系統(tǒng)容量以滿足用戶高速率通信的需求。室內覆蓋也可以使用 3DMIMO 天線技術來提高系統(tǒng)容量，可以通過 3D 波束賦型形成能量集中的波束。室內場景可以分為很多類型，主要包括：一般室內環(huán)境，基站可以部署的在樓廊，也可以在各個室內；大型會議場館；大型體育場館，需容納上萬人，基站可以分散布置在場館的各個角落。根據拓撲形式，室內分為室內集中式和室內分布式。室內集中式主要包含體育館、大型室內會場、候機樓、候車室、大型商場；室內分布式主要包括辦公樓。考慮到場景的優(yōu)先級別，這里優(yōu)先關注室內分布式 Massive MIMO 的信道建模。 基站間距 60 米；辦公樓室內辦公區(qū)大小 15m*15m，走廊 120m；基站高度為 36 米；用戶分布：室內均勻； 基站發(fā)射功率：21/24dB(20MHz/40MHz)；無線回傳場景在微基站與宏基站