深度了解MIMO系统与波束赋形

上一篇文章中介绍预编码与波束赋形、空分复用以及空间分集等几种MIMO技术的概况以及他们在LTE以及NR 标准中的应用。

在这篇文章我们来了解下NR 预编码码本的设计思路，预编码与模拟波束赋形在Massive MIMO 上的结合，以及Keysight Multi Transceiver RF Test Set (E6464A/E6416A)在Massive MIMO 波束赋形测试中的应用。

LTE和NR的一个关键技术是MIMO传输，随着有源天线阵列(active antenna array)的出现，使得在基站上利用大量的天线单元变得可行。对2D有源天线阵列在每个可用的空间维度进行波束赋形可以对传播空间的垂直和水平维度进行更好的覆盖。同时LTE FD-MIMO 以及NR设计了多达32个数字天线端口来进行自适应预编码。随着sub 6GHz频谱的可用性越来越有限，具有更多带宽资源的毫米波频段被采纳入NR 用于蜂窝通信。

与sub 6GHz的无线通信不同，毫米波传输具有更多的路径损耗，使用更多的天线单元进行波束成形使能量更集中对于确保足够的覆盖范围至关重要。因此在毫米波的蜂窝通信技术设计中，仅利用大量数字预编码端口是不可行的。需要将数字预编码与模拟波束赋形结合，也就是混合波束赋型技术。在下面的混合波束赋型系统框图中NR定义了12个DMRS ports, 32 个CSI-RS ports。基站物理天线的个数NT可以多达64, 128, 196等等。

混合波束赋形技术

MIMO传输方案的关键组成部分之一是在基站测获得信道状态信息(channel state information CSI)，特别是对于多用户MIMO(MU-MIMO)准确的CSI是确保多用户系统有效的必要条件。不够精准的的CSI不仅影响多用户系统中每一个用户的性能和吞吐受损，同时也会增加多用户之间的干扰从而进一步恶化系统性能。

LTE Rel 14之前CSI反馈框架是以隐形(implicit)的形式存在的，包括：

·预编码矩阵指示(precoding matrix index – PMI)：对应下行信道的特征向量，反应信道的空间特性。沿着这些向量的下行信道具有较强能量，并且对应着预编码码本中一个索引。

·秩指示(rank indicator – RI)：下行空间信道支持的独立数据流的个数。

·信道质量指示(channel quality indicator - CQI)：使用PMI 作为预编码向量时的信道强度指示。

Implicit CSI 反馈在计算CSI时存在固有的单用户假设，这种implicit的反馈方式对于MU-MIMO传输是不足够的。从Rel 14开始3GPP提供了基于码本线性组合的高分辨率信道反馈报告机制。从Rel.15 开始 TS38.214 中定义了Type I 和 Type II 两种码本。

NR Type -I 码本

NR Type I码本专门为SU-MIMO设计，沿用了LTE的两步码本的结构，预编码器W=W1*W2。W1捕获信道中宽带信息并用来反应信道的长期且与频率无关的特性，W2捕获信道的快速衰落特性及子带级别的信道信息(多个RB)并对两个极化方向间的天线进行相位调节。Type I码本支持最高达rank8。

如上篇文章所属，码本以及CSI 反馈机制的设计一直是LTE/NR 标准化中讨论最多的部分。这两点不仅涉及到空间信道反馈信息的精确程度更关系到整体的信令开销。3GPP TS 38.214中对码本以及码字有详尽的描述，这里想通过一个简单的例子带大家理解下NR Type-I single panel 码本构成。

假设一个2*2的双极化天线panel，N1 =2, N2=2, O1=2, O2=2, rank=1如下图。

2*2 双极化天线面板

W1 码本是用来描述一个极化方向上的信道方向性。矩阵因子是由DFT矩阵块构成的，W1 中列向量见正交，并构成一个beam group。W1 中正交列向量的个数由N1, N2, O1, O2 的个数决定。在本例中O1, O2 均为1。O1, O2 代表在天线阵列排布的两个方向上DFT过采样的倍数，O1, O2 越大每一个DFT向量颗粒度越小，可以更好地描述信道的空间方向性下图 [2] 所示。

下图是3GPP 文档[1] 中对NR Type I两级码本设计的思路的总结。

NR Type -II 码本[1]

Type I 码本在NR 标准中适用与 SU-MIMO 场景，Type II码本则是为MU-MIMO设计的。由于MU-MIMO场景更多解决的是覆盖问题而不是峰值速率，目前MU-MIMO最多支持单用户两流的数据传输(rank=2)。Type II 码本采用线性组合(linear combination)码本，码本分辨率足够高，可以更准确地刻画信道的空间特性。Type II可以被认为是“显式(explicit)CSI”，也就是说码本是用来直接描述实际信道的方向和能量，而不是用DFT正交向量去逼近实际信道。因此Type II码本会有更高的信令开销。

由于Type II 码本的细节过于复杂本文不做赘述，总结几点Type II与Type I码本的区别 ☟

Type II CSI的预编码矩阵是非恒定模量的，不同的预编码向量可以具有不同的幅度。

W1 矩阵选择一个DFT向量的大小为L的子集(L∈{2, 3, 4})，作为W2 进行线性合并的正交基。

相对于Type I 码本，Type II CSI码本增加了信令开销用来反馈不同正交基之间进行linear combination幅度和相位。

下图是3GPP 文档[1] 中对NR Type II两级码本设计的思路的总结。

基于SRS 信号的信道状态信息反馈[1]

基于码本的信道状态信息反馈和预编码也被称为GoB (grid of beams)，终端需要在众多可能的beam中选择一个或者几个的组合进行CSI 反馈。

在TDD系统中上下行使用相同频率进行信号传输，因此上下行信道是相同的。因此可以利用上行的SRS导频信号并经过上下行互异性补偿算法修正后对下行信道进行估计。但是由于终端的发射天线数量一般少于接收天线数量，在基于SRS的信道反馈及预编码时需要通过开关将单个发射射频链路切换到不同的接收天线，这称为SRS发射天线切换(TAS)。为每个接收天线单独传输SRS，基站能够直接从接收到的SRS响应构建一个完整信道矩阵。只要接收到的SRS质量足够高，基站可以确定最佳波束赋形权重，以最大化下行容量，而不会出现任何量化误差。

SRS 发射天线切换示意图 [2]

波束赋形

预编码技术可以理解为数字波束赋形。基站获得终端信道状态后，在数字域设计预编码矩阵从而使得从逻辑天线端口发射的信号具有一定的方向性。每一个逻辑天线端口都对应一套基带-射频收发链路，包括下图的Digital BF, DFE, DAC/ACD 以及RF module部分。

NR 标准中一共定义了32 个 CSI-RS ports，可以支持多大32个逻辑天线端口。无论基站有多少个天线单元，终端测只能够感知到在逻辑天线端口的存在，并对逻辑天线端口的信道进行测量及上报。NR 增加了3GHz – 6GHz的频段并将FR2的频率范围扩展到了毫米波，更短的波长使得大规模天线阵列的部署成为可能。

下图中，从conducted test interface 到antenna array panel的映射是实现相关的，不同基站厂商会有不同的设计。目前sub 6GHz商用基站可以支持128个天线单元，大多数厂商会跳过模拟波束赋形直接讲逻辑天线端口到物理天线单元的映射简化，例如直接对几个天线单元进行并联。

Keysight 多收发大规模天线阵列测试方案(MTRX)

预编码和波束赋型的验证对massive MIMO 及O-RAN系统的有效性来说至关重要。在上篇文章中我们介绍了Massive MIMO测试面临的挑战。Massive MIMO的性能验证首先需要提供足够多的射频端口数目，不同射频端口之间需要相位相参(phase coherent)才能保证波束赋形的有效性。另外还需要软件对massive MIMO系统预编码及波束赋形算法进行验证。

Keysight E6464A/E6416A多收发射频测试仪(MTRX)。MTRX是一种可扩展的射频测平台。一台E6464A/E6416A可以提供最多64/16个矢量信号分析仪(VSA)和64/16个矢量信号发生器(VSG)。MTRX内置数字预编码和massive MIMO信号加权矩阵功能，同时支持直通连接选项，可以对网络和设备进行端到端波束赋形测试。

MTRX 可以进行sequenced 实时MU-MIMO波束权重测量，并支持在实时网络和终端测试中嵌入RF及波束测量。

配合Pathwave 信号生成软件以及波束赋型Beam weight 文件，MTRX可以生成多端口下行波束赋形信号并通过改变beam weight形成变化的波束来对来进行波束跟踪，波束重建的波束管理功能测试。

MTRX可以同时抓取所有射频端口的接收信号并在内置的89600 VSA软件中实时分析。下图是利用MTRX 配合89600软件对一个运行在3.5GHz频段具有32TRX的O-RU进行的下行信号分析。天线设置如下图。

除了传统的信号质量分析外，89600 还可以提供天线权重，波束方向，波束宽度等分析。

当选择只进行PDSCH的beam pattern分析时，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。发射信号只配置了一个PDSCH DMRS port, 在DMRS MIMO Info 窗口可以看到不同射频通道上DMRS TAE，frequency offset 及timing offset。

在Beam Weight 窗口可以看到对PDSCH/DMRS进行波束赋形的beam weight。

当选中SSB 作为分析对象时，beam pattern 窗口可以呈现出不同的SSB beam 的beam pattern以及beam weight。

与Wavejudge软件配合，可以完成对上下行波束赋形 从layer 1 到layer 3 的跨层协议分析。

MTRX频率覆盖到7.25GHz可以满足NR FR1以及Wifi6E/7的测试要求，同时MTRX具有卓越的射频指标系统。系统发射和接收的残余EVM可达<0.35%，具体指标请注册获取并查阅MTRX Data Sheet。

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