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1、第五代移动通信中信道测量的技术挑战与参考系统文竹 孔红伟是德科技（中国）有限公司zhu_关键词：信道测量，5G，毫米波摘 要本文主要讨论如何利用商用通用化仪器仪表搭建毫米波MIMO信道测量系统，以满足5G（第五代）移动通信对于无线信道传播特性测量的关键技术要求和挑战。本文基于最新一代的毫米波射频仪器和测量技术，提出了能够解决5G信道传播特性测量关键技术的信道测量平台框架和技术途径，搭建了5G毫米波MIMO信道测量的原型系统，并对原型系统的功能和性能进行了初步的讨论。引言在第四代移动通信技术（4G）已经成熟并商业化的今天，人们已经开始对下一代移动通信系统（5G）进行规划和研究。相比于4G演进式的
2、发展，5G被定义为“革命性”的移动通信系统。在各项系统关键指标要求上，相比已有的4G系统，5G移动通信系统都有几个数量级的提高，例如：100倍的数据传输率提高1000倍的系统容量提升100倍的设备密集度100倍的能源效率提升优于1ms的系统延迟超过99.999%的系统可靠性为了支持人们对于5G移动通信系统“革命性”的定义，5G系统必然需要采用若干新的关键技术，其中业界广泛达成共识的三项核心技术包括：使用高于6GHz的全新频段，包括亚毫米波（30GHz）和毫米波（30GHz）超宽带技术，带宽从500MHz到1GHz，甚至到2GHz大规模MIMO（Multiple Input Multiple O
3、utput）技术，天线数目从几个到几百个以上核心技术不仅对移动通信系统本身的设计、优化提出了新的挑战，同时对于作为无线信号传输媒介和通道的无线信道，其在5G移动通信条件下的传播特性，必然也需要进行详细的研究和理解。回顾4G以及之前的无线信道测量研究，多集中于6GHz以下频段、100MHz以下带宽的SISO或小规模MIMO；而对于高频段、超宽带以及大规模MIMO条件下的无线信道传播特性，却缺乏深入的测量和研究。因此，5G无线信道传播特性的测量，成为当前5G移动通信研究领域里的一个非常热门的课题。在针对5G移动通信的信道测量研究工作中，最有代表性的是由纽约大学T.S.Rappaport教授带领的研
4、究团队所开展的工作13. 在纽约大学的研究工作中所使用的是基于滑动相关方法7的SISO信道测量系统，该系统能够测量信道传播衰落以及多径延迟信息，对于多径的角度信息需要利用机械旋转平台和定向天线进行测量。而三星也利用类似的信道测量系统进行了在28GHz频段的测量研究4。上述信道测量系统存在如下限制：首先，基于滑动相关方法的信道测量系统其测量速度很慢，这意味着上述系统只能测量静态信道或者极低速运动信道。但是对于6GHz以上高频段，特别是毫米波频段，由于波长很短，即使在行人步行场景下多普勒频率也会达到上百赫兹，无法用基于滑动相关的信道测量系统进行测量；其次，为了对MIMO（Multiple Inpu
5、t Multiple Output）信道进行测量，需要在发射和接收端使用天线阵列，并且天线阵元间距需要等于半波长。而方向性喇叭天线的尺寸远远大于毫米波频段的半个波长（5毫米）；第三，上述信道测量系统的搭建，采用了许多专门设计的设备和电路，开发周期长、难度大、系统性能和稳定性难以保证。 本文讨论如何利用商用的通用测试仪器，搭建毫米波超宽带MIMO信道测量系统，以满足5G移动通信的信道测量需求。5G信道测量的要求和技术挑战对于5G信道测量，支持高频段、超宽带以及大规模MIMO成为对信道测量系统的基本要求。围绕5G信道测量系统，有6个方面的关键技术挑战需要加以解决，如图1 所示图1 5G信道测量系统
6、关键技术信道测量方法和系统架构信道测量技术大致可以分为3类：宽带信号相关方法、滑动相关方法和扫频方法。宽带相关方法由于是同时对整个带宽内的信道冲击响应（CIR）进行测量，其测量速度远远快于其他两类方法，因此更适合5G信道测量的要求。在支持多天线的技术上，出于测量速度和通道间抗干扰能力的综合考虑，应该采样发射端多天线切换发射、接收端并行接收的方法。因此，系统的结构框图如图2图2 5G信道测量系统结构框图高频段信号产生与接收在支持高频段，特别是毫米波频段信号产生与接收方面，使用高性能的商用毫米波射频仪器能够减小系统设计、搭建和使用的复杂程度。在信号发射端，高性能的毫米波矢量信号源和固态射频切换开关
7、能够满足毫米波频段信号的产生。在接收端，模块化的多通道下变频器配合毫米波模拟信号源能够提供高精度多通道相参的下变频能力。超宽带信号产生和采集目前，商用的高性能任意波发生器能够产生高达数GSa/s的I/Q数据生成，而模块化的宽带多通道数据采集卡能够提供多通道相参的信号采集能力。测量数据存储与流盘为解决超宽带、多通道信道测量数据连续记录的问题，我们提出了一种基于实时处理压缩数据的方法：在数据采集卡采集数据后，利用FPGA编程对测量数据进行实时相关处理，得到CIR（信道冲击响应）数据，有效的CIR数据长度远远小于原始的测量数据，因此通过对CIR数据进行流盘和存储，能够在不损失信道信息的情况下大幅减小
8、数据量，实现长时间连续测量。信道参数估计方法在各种信道参数估计方法中6,7，SAGE算法8是一种被广泛使用的基于最大似然估计的高精度多参数联合估计算法，同时SAGE算法在估计多径的能力上不受天线数目的限制，因此非常适合毫米波多径信道的估计。系统同步与校准为保证发射、接收之间的精确同步，采用高精度铷原子钟提供本振信号。而高精度的系统校准也是保证整个测量系统性能的关键因素，系统的校准主要包括：多通道间相位/幅度校准天线校准系统频率响应校准功率和延时校准I/Q幅相不一致校准基于上一节的讨论，我们搭建了5G毫米波超宽带MIMO信道测量的参考系统，系统原理框图如图3图3 基于通用仪器的5G毫米波超宽带M
9、IMO信道测量参考系统除了定制的阵列天线以外，所有的仪器设备都采用了通用仪器和射频微波器件进行搭建：信号产生部分，使用了模块化仪器Keysight M8190A超宽带任意波形发生器，配合高性能矢量信号源Keysight E8267D，可以提供超过2GHz 带宽，最高44GHz频率的超宽带调制信号生成的能力。再使用高速固态射频切换开关Keysight 85332B配合64通道数字IO控制器Keysight L4450A，将单路射频输出信号分配到4路发射天线单元实现多天线分时切换发射。信号接收部分，使用模块化4通道下变频器Keysight M9362AD01加上中频调理模块M9352A进行下变频和
10、中频滤波放大，下变频本振信号由模拟信号源Keysight N5173B提供，可以实现4通道最高40GHz，1GHz带宽的下变频。数据采集由模块化8通道高速数字采集卡Keysight M9703A/B完成，在交织采用模式下，利用M9703A/B的4个通道能够实现3.2GSa/s采样率，1GHz带宽的4通道相参数字采样。系统同步方面，发射和接收子系统分别使用了一台高精度铷原子钟，在两台铷原子钟同步锁定后，能够提供准确度1x10(-12)的本振时钟。同时，使用函数发生器Keysight 33512B产生与发射端M8190A同周期的脉冲信号触发M9703A进行数据采集，从而保证收发的时间同步。上述系统
11、具有良好的可扩展性，在发射端通过级联多级切换开关85332B可以将4路输出扩展到16路甚至更多，在接收端通过增加下变频模块M9362AD01+M9352A，以及采样模块M9703A，可以在保证相参精度的前提下，支持更多射频接收通道。5G毫米波超宽带MIMO 信道测量系统的实物照片如图4所示：图4 信道测量系统实物照片多径延迟与衰落精度测试我们用信道模拟器仿真了一个3径信道（带宽40MHz），用信道测量系统进行多径的测量，测量结果如表1。表 1 多径延迟与衰落精度测试结果测量项目测量结果径延时分辨力36ns径延时误差0ns径衰落误差0.11dB接收机灵敏度测试调整发射端的发射功率，直到接收端无法
12、检测到接收信号，从而测试接收机的灵敏度。测试结果表明接收机灵敏度优于-100dBm。多径动态范围测试使用信道模拟器仿真2径信道，调整两个径的相对功率，直到无法接收机同时检测到两个径为止，从而得到接收机能够同时接受到的多径的动态范围。测试结果表明接收机多径动态范围优于64dB。基于通用仪器的5G信道测量参考系统室内MIMO LOS信道测试初步进行了室内MIMO LOS（Line of Sight）信道的验证测试。将收发天线无遮挡相对放置，调整收发天线方向，是的直达径（LOS）的AoA（到达角）和AoD（离去角）大致为0和15。利用信道测量系统进行MIMO信道估计，测试结果如图5结论论文讨论了5G
13、信道测量的要求和技术挑战，并提出了基于商用的通用化仪器搭建5G毫米波超宽带MIMO信道测量系统的方案和参考系统。测量结果表明该系统能够满足5G信道测量的需求。参考文献1.T.S.Rappaport, Shu Sun, etc. “Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!”, Global Communications Conference (GLOBECOM), 2013 IEEE, 2013, pp. 3948 - 39532.Hang Zhao, T.S.Rappaport, etc., “28
14、 GHz millimeter wave cellular communication measurements for reflection and penetration loss in and around buildings in New York city”, Communications (ICC), 2013 IEEE International Conference on, 2013 , pp. 5163 - 51673.J.N. Murdock, T.S. Rappaport, etc. “A 38 GHz cellular outage study for an urban
15、 outdoor campus environment” Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2012 IEEE , 2012, pp. 3085 - 30904.D.C. Cox, “Delay Doppler Characteristics of Multipath Propagation at 910 MHz in a Suburban Mobile Radio Environment,” IEEE Trans. On Ant. and Prop., vol. Ap-20, No. 5, pp. 625635
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