MIMO系統(tǒng)與波束賦形（下篇）

在這篇文章我們來了解下NR 預(yù)編碼碼本的設(shè)計(jì)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。

LTE和NR的一個(gè)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(duì)2D有源天線陣列在每個(gè)可用的空間維度進(jìn)行波束賦形可以對(duì)傳播空間的垂直和水平維度進(jìn)行更好的覆蓋。同時(shí)LTE FD-MIMO 以及NR設(shè)計(jì)了多達(dá)32個(gè)數(shù)字天線端口來進(jìn)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(jìn)行波束成形使能量更集中對(duì)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(jì)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(gè)DMRS  ports, 32 個(gè)CSI-RS ports。基站物理天線的個(gè)數(shù)N_T可以多達(dá)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(duì)于多用戶MIMO(MU-MIMO)準(zhǔn)確的CSI是確保多用戶系統(tǒng)有效的必要條件。不夠精準(zhǔn)的的CSI不僅影響多用戶系統(tǒng)中每一個(gè)用戶的性能和吞吐受損，同時(shí)也會(huì)增加多用戶之間的干擾從而進(jìn)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(duì)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(qiáng)能量，并且對(duì)應(yīng)著預(yù)編碼碼本中一個(gè)索引。

· 秩指示(rank indicator – RI)：下行空間信道支持的獨(dú)立數(shù)據(jù)流的個(gè)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(shí)的信道強(qiáng)度指示。

Implicit CSI 反饋在計(jì)算CSI時(shí)存在固有的單用戶假設(shè)，這種implicit的反饋方式對(duì)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(bào)告機(jī)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(jì)，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(jí)別的信道信息（多個(gè)RB）并對(duì)兩個(gè)極化方向間的天線進(jìn)行相位調(diào)節(jié)。Type I碼本支持最高達(dá)rank8。

如上篇文章所屬，碼本以及CSI 反饋機(jī)制的設(shè)計(jì)一直是LTE/NR 標(biāo)準(zhǔn)化中討論最多的部分。這兩點(diǎn)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(duì)碼本以及碼字有詳盡的描述，這里想通過一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)beam group。W₁ 中正交列向量的個(gè)數(shù)由N₁, N₂, O₁, O₂ 的個(gè)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(gè)方向上DFT過采樣的倍數(shù)，O₁, O₂ 越大每一個(gè)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(duì)NR Type I兩級(jí)碼本設(shè)計(jì)的思路的總結(jié)。

[1]

NR Type -II 碼本

Type I 碼本在NR 標(biāo)準(zhǔn)中適用與 SU-MIMO 場景，Type II碼本則是為MU-MIMO設(shè)計(jì)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(zhǔn)確地刻畫信道的空間特性。Type II可以被認(rèn)為是“顯式(explicit)CSI”，也就是說碼本是用來直接描述實(shí)際信道的方向和能量，而不是用DFT正交向量去逼近實(shí)際信道。因此Type II碼本會(huì)有更高的信令開銷。

由于Type II 碼本的細(xì)節(jié)過于復(fù)雜本文不做贅述，總結(jié)幾點(diǎn)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(gè)DFT向量的大小為L的子集（L∈{2, 3, 4}），作為W₂ 進(jìn)行線性合并的正交基。

●  相對(duì)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(jìn)行l(wèi)inear combination幅度和相位。

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

[1]

基于SRS 信號(hào)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(gè)或者幾個(gè)的組合進(jìn)行CSI 反饋。

在TDD系統(tǒng)中上下行使用相同頻率進(jìn)行信號(hào)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(hào)并經(jīng)過上下行互異性補(bǔ)償算法修正后對(duì)下行信道進(jìn)行估計(jì)。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(shí)需要通過開關(guān)將單個(gè)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(gè)接收天線單獨(dú)傳輸SRS，基站能夠直接從接收到的SRS響應(yīng)構(gòu)建一個(gè)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(huì)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。基站獲得終端信道狀態(tài)后，在數(shù)字域設(shè)計(jì)預(yù)編碼矩陣從而使得從邏輯天線端口發(fā)射的信號(hào)具有一定的方向性。每一個(gè)邏輯天線端口都對(duì)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(biāo)準(zhǔn)中一共定義了32 個(gè) CSI-RS ports，可以支持多大32個(gè)邏輯天線端口。無論基站有多少個(gè)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(duì)邏輯天線端口的信道進(jìn)行測量及上報(bào)。NR 增加了3GHz – 6GHz的頻段并將FR2的頻率范圍擴(kuò)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(shí)現(xiàn)相關(guān)的，不同基站廠商會(huì)有不同的設(shè)計(jì)。目前sub 6GHz商用基站可以支持128個(gè)天線單元，大多數(shù)廠商會(huì)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(duì)幾個(gè)天線單元進(jìn)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(yàn)證對(duì)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(yàn)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(duì)massive MIMO系統(tǒng)預(yù)編碼及波束賦形算法進(jìn)行驗(yàn)證。

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

● MTRX 可以進(jìn)行sequenced 實(shí)時(shí)MU-MIMO波束權(quán)重測量，并支持在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和終端測試中嵌入RF及波束測量。

● 配合Pathwave 信號(hào)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(hào)并通過改變beam weight形成變化的波束來對(duì)來進(jìn)行波束跟蹤，波束重建的波束管理功能測試。

● MTRX可以同時(shí)抓取所有射頻端口的接收信號(hào)并在內(nèi)置的89600 VSA軟件中實(shí)時(shí)分析。下圖是利用MTRX 配合89600軟件對(duì)一個(gè)運(yùn)行在3.5GHz頻段具有32TRX的O-RU進(jìn)行的下行信號(hào)分析。天線設(shè)置如下圖。

除了傳統(tǒng)的信號(hào)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(jìn)行PDSCH的beam pattern分析時(shí)，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(hào)只配置了一個(gè)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。

在Beam Weight 窗口可以看到對(duì)PDSCH/DMRS進(jìn)行波束賦形的beam weight。

當(dāng)選中SSB 作為分析對(duì)象時(shí)，beam pattern 窗口可以呈現(xiàn)出不同的SSB beam 的beam pattern以及beam weight。

● 與Wavejudge軟件配合，可以完成對(duì)上下行波束賦形 從layer 1 到layer 3 的跨層協(xié)議分析。

● MTRX頻率覆蓋到7.25GHz可以滿足NR FR1以及Wifi6E/7的測試要求，同時(shí)MTRX具有卓越的射頻指標(biāo)系統(tǒng)。系統(tǒng)發(fā)射和接收的殘余EVM可達(dá)<0.35%，具體指標(biāo)請(qǐng)注冊(cè)獲取并查閱MTRX Data Sheet。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP RWS-180008 ‘NR Physical Layer Design: NR MIMO’

[2] Technical White Paper：Massive MIMO for New Radio – Samsung