5G信道建模與性能測試方法

魏貴明，張翔，郭宇航，喬尚兵

專題：移動通信（5G）測試

5G信道建模與性能測試方法

魏貴明，張翔，郭宇航，喬尚兵

（中國信息通信研究院，北京 100191）

隨著5G移動通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，5G基站和終端在實際外場環(huán)境下的吞吐量性能對用戶體驗至關(guān)重要。如何在室內(nèi)精確建模和復(fù)現(xiàn)外場信道環(huán)境，成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點。介紹了4G和5G的信道建模方法，并針對5G終端設(shè)備，闡述了目前實驗室多輸入多輸出（multi-input multi-output，MIMO）空口（over- the-air，OTA）測試解決方案的優(yōu)勢，然后給出了具體的OTA信道建模原理描述以及吞吐量仿真結(jié)果，以期為相關(guān)工作提供參考。

5G；吞吐量；信道建模；空口測試

1 引言

2019年6月6日，工業(yè)和信息化部正式為中國移動、中國聯(lián)通、中國電信和中國廣電4家企業(yè)發(fā)放5G移動通信牌照，意味著中國在移動通信領(lǐng)域正式從長期演進（long term evolution，LTE）進入5G時代。傳輸速率的大幅提升和端到端時延的明顯降低為移動互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了有力支撐，目前已經(jīng)有超過300個運營商在100多個國家和地區(qū)部署商用5G網(wǎng)絡(luò)或正在進行5G試驗。

為提升頻譜效率和系統(tǒng)容量，從已經(jīng)成熟的4G LTE到現(xiàn)今的5G NR，諸多新技術(shù)被廣泛應(yīng)用：Sub 6G、毫米波和大規(guī)模天線都是其中的典型代表[1]。新技術(shù)的應(yīng)用也帶來了信道建模方案的變更以及終端性能測試方法的革新。傳統(tǒng)的測試方案采用線纜直連信道模擬器的方式，僅可評估終端基帶的性能，且不適用于大規(guī)模天線陣列的測試[2]。為解決該問題，5G的通用方案是采用多探頭吸波暗室（multi-probe anechoic chamber，MPAC），利用OTA暗室建立一個無反射的自由空間，使用多角度的探頭天線模擬出目標(biāo)信道環(huán)境，從而將目標(biāo)信道搬移到實驗室，以評估終端的整體性能。

為精準(zhǔn)實現(xiàn)MIMO OTA測試系統(tǒng)構(gòu)建，將信道模型在實驗室中進行真實的復(fù)現(xiàn)，信道建模的理論與技術(shù)顯得至關(guān)重要。隨著大規(guī)模MIMO的應(yīng)用，信道模型的構(gòu)建也日趨復(fù)雜完善。第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）在TR38.901中提出了適用于0.5～100 GHz的信道模型[3]，信道由傳統(tǒng)增強隨機信道模型（stochastic channel model enhanced，SCME）的二維模型升級為三維，且對傳播簇的數(shù)量和應(yīng)用場景進行了進一步的劃分。

2 信道建模

信道模型按照建模方式可以分為兩大類：基于相關(guān)性矩陣的信道模型以及基于幾何的隨機信道模型（stochastic channel model，SCM）[4]，前者通過預(yù)先設(shè)定的相關(guān)性矩陣，乘以多徑衰落生成；后者依托發(fā)送端和接收端的幾何地理關(guān)系，確定不同傳播路徑發(fā)送和接收端的角度、功率、相位等信息。相關(guān)矩陣信道模型的最大優(yōu)勢是模型不確定性小，測試結(jié)果穩(wěn)定，但是由于其無法確定傳播方向，因此不能用于波束成形技術(shù)的驗證。從LTE中后期至5G階段，性能測試均傾向采用SCM模型。

2.1 LTE SCME

LTE階段，廣泛采用的信道模型是增強的SCM（SCME）[5]，適用于中心頻率為6 GHz以下、帶寬為100 MHz的系統(tǒng)，可模擬3種不同的外場環(huán)境：市區(qū)宏小區(qū)（urban macro，UMa）、郊區(qū)宏小區(qū)（rural macro，RMa）以及市區(qū)微小區(qū)（urban micro，UMi）。SCME中獨立的傳播鏈路（簇）共6條，簇被進一步細(xì)分為具有不同時延與子徑數(shù)的中徑，使得大帶寬系統(tǒng)的信道模型能夠體現(xiàn)出頻率選擇性衰落。各個子徑除了具有各自特定的離開角、到達(dá)角等角度信息和時延信息之外，簇內(nèi)的子徑功率還呈現(xiàn)一定的功率分布（如拉普拉斯分布），該分布的標(biāo)準(zhǔn)差即簇的角度擴展。SCME信道模型生成流程如圖1所示。

2.2 5G信道模型

3GPP在無線電接入網(wǎng)（radio access network，RAN）第69會議上批準(zhǔn)了關(guān)于“6 GHz以上頻譜的信道模型”的研究。該模型基于前期三維SCM[3]，針對場景、頻率、帶寬等指標(biāo)進行升級。

新的信道模型適用范圍如下。

·支持的場景包括城市微蜂窩街道峽谷、城市宏蜂窩、室內(nèi)辦公室和農(nóng)村宏蜂窩。

·頻率支持0.5~100 GHz，帶寬最高支持中心頻率的10％，但不超過2 GHz。

·支持鏈路一端的移動性。

·采用簇時延線（cluster delay line，CDL）建模方式。

·支持視距（line of sight，LOS）和非視距（none line of sight，NLOS）模型。

·終端移動速度高達(dá)500 km/h，被測設(shè)備支持大型天線陣列。

5G信道模型的生成流程與SCME類似，兩種信道模型對比見表1。

3 MIMO OTA測試系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 傳統(tǒng)線纜直連方案

在LTE系統(tǒng)中，傳統(tǒng)低頻基站和終端芯片的性能測試主要采用線纜級聯(lián)的方式。測試系統(tǒng)由基站（或綜測儀）、信道模擬器和終端組成。信道模擬器內(nèi)運行包含路徑衰落、陰影效應(yīng)、快速衰落、基站天線模型、終端天線模型在內(nèi)的信道模型，模擬基站與終端之間由于空間傳播帶來的損耗，若單臺信道模擬器的射頻端口數(shù)量不夠，可采用多臺信道模擬器級聯(lián)使用。通過如圖2所示的系統(tǒng)，可以測試基站和終端在衰落場景下的吞吐量性能，但是傳統(tǒng)線纜級聯(lián)的性能測試方法存在以下問題。

圖1 SCME信道模型生成流程

表1 兩種信道模型對比

·5G采用的毫米波頻段鏈路損耗較大[6]，基站和終端將無法引出測試端口，線纜級聯(lián)的測試將因為沒有測試連接端口而失效。

·大規(guī)模MIMO基站通道數(shù)過多，以64通道基站為例，若需測試8流傳輸?shù)男阅?，需要信道模擬器同樣具備64收、8發(fā)的雙向射頻能力，具備1 024路邏輯通道。儀表成本昂貴，連線過程復(fù)雜。

·大規(guī)模天線陣列基站主要通過成形技術(shù)產(chǎn)生分集增益和復(fù)用增益，而線纜級聯(lián)的測試方式屏蔽了模擬波束成形部分，測試結(jié)果與基站在實際場景下的性能不符。

出于成本原因，毫米波gNB的射頻通道數(shù)與低頻基站相比大幅減少，通常為2個或4個。每一個射頻通道對應(yīng)大量的有源天線，一個毫米波gNB的天線數(shù)量可高達(dá)1 024根。利用混合波束成形、波束跟蹤等技術(shù)，克服較大的路徑損耗，實現(xiàn)有限距離下超大帶寬、超高速率、超低時延的數(shù)據(jù)傳輸。正如前文所述，由于毫米波缺乏可供線纜連接的物理射頻接口，必須通過空口測試方案進行性能驗證。

圖2 傳導(dǎo)性能測試系統(tǒng)連接

3.2 OTA測試系統(tǒng)

為了克服傳導(dǎo)測試無法模擬終端天線的劣勢，LTE和5G的終端整機性能測試目前都傾向于采用OTA方式[7]。LTE的MIMO OTA方案已經(jīng)在3GPP完成討論，5G測試方案正在討論中。該方案通過電波暗室建立一個無反射的自由空間，將衰落信道模型在實驗室中進行真實的復(fù)現(xiàn)。目前主流的MIMO OTA方案包括多探頭法、混響室法和兩步法[8]。多探頭法由于理論精確和復(fù)現(xiàn)性好，成為目前的主流方案。

Sub 6 GHz的5G終端MIMO OTA測試系統(tǒng)可沿用LTE的消音暗室、雙極化探頭、轉(zhuǎn)臺、功放等設(shè)備，僅需對儀表進行功能和性能升級。綜測儀需支持5G終端連接，并能夠進行下行業(yè)務(wù)傳輸。信道模型需升級帶寬至100 MHz，射頻通道數(shù)量至少為4×16。MIMO OTA三維多探頭測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。除去在水平維度的探頭環(huán)之外，系統(tǒng)還在該環(huán)直徑形成的球面上，按照相等的仰角在上下方分別擺放一個探頭環(huán)，每個環(huán)上等角度間隔均勻地擺放探頭。上中下3個環(huán)分別放置4根、16根、4根雙極化天線。

目前3GPP RAN4已經(jīng)明確5G終端MIMO OTA測試信道模型、探頭布局、轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方式、靜區(qū)空間相關(guān)性等關(guān)鍵指標(biāo)。5G綜測儀下行信號經(jīng)過信道模擬器添加衰落信道模型，為保證終端接收功率強度，信道模擬器出口信號添加固定增益的低噪聲功率放大器。面向信道模型中的不同來波角度和角度功率譜分布，采用凸優(yōu)化的方式，完成同一個簇在不同探頭上的功率分配，但是目前標(biāo)準(zhǔn)的5G MIMO OTA測試系統(tǒng)存在如下瓶頸。

·不支持上行性能測試：由于5G的商用頻點高于LTE，路徑損耗較大，對終端上行發(fā)射信號功率及質(zhì)量要求高，5G終端上行鏈路的設(shè)計挑戰(zhàn)大。

·不支持多種5G物理層關(guān)鍵技術(shù)：由于綜測儀功能限制，標(biāo)準(zhǔn)的MIMO OTA系統(tǒng)不支持三維波束成形、波束跟蹤、自適應(yīng)編碼調(diào)制、混合自動重傳等。

·不支持大尺度模擬：目前的MIMO OTA系統(tǒng)僅模擬小尺度快衰模型，不支持陰影衰落和路徑損耗的環(huán)境模擬。

圖3 MIMO OTA三維多探頭測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在此階段，終端設(shè)備廠商和運營商均嘗試采用真實5G基站替代綜測儀，同時增加上行低噪放和信道模擬器通道，實現(xiàn)上下行雙向互易信道模擬。并可通過調(diào)相網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對信道模型進行降維，實現(xiàn)5G終端的精確性能測試。

4 MIMO OTA測試系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 MIMO OTA信道建模

OTA信道模型的構(gòu)建，需要在暗室中還原每個簇的時延、功率、方位角以及交叉極化比等信息，具體CDL（common channel date link，公共信道數(shù)據(jù)鏈）參數(shù)可以依照相關(guān)的信道建模標(biāo)準(zhǔn)（如3GPP TR38.901）。而其難點在于對OTA暗室中不同天線探頭賦予不同的權(quán)重因子，從而模擬CDL簇的定向傳播與角度拓展。

在MPAC系統(tǒng)中，有兩種較為通用的探頭賦值算法，即預(yù)衰落合成（prefaded signal synthesis，PFS）法和平面波合成（plane wave synthesis，PWS）法。而PFS算法由于不受系統(tǒng)的相位波動影響，魯棒性更強，其弱點在于無法精準(zhǔn)模擬角度拓展很小的直射徑信號。本文重點對PFS算法進行介紹。

圖4 OTA探頭設(shè)置示意圖（是第i個探頭的角度位置）

也就是說，對于定義的連續(xù)PAS，空間相關(guān)性是成對的虛擬天線之間的距離和相對位置（角度）的函數(shù)。在MPAC中，信道模型中的連續(xù)PAS由來自離散多探針天線的信號模擬，可以通過式（1）推導(dǎo)得出。測試區(qū)域中離散天線探頭的空間相關(guān)函數(shù)為：

通過此方案，可以計算出每個簇在各個探頭的權(quán)值映射關(guān)系，代入信道公式的對應(yīng)鏈路，即可還原出標(biāo)準(zhǔn)中所定義的信道模型。

4.2 吞吐量性能仿真

目前5G的低頻基站通常采用64個發(fā)送和接收通道、192根天線的配置，即1個射頻通道映射為3個相同極化方向的陣子。支持同時并行傳輸高達(dá)16流的獨立數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)8天線2流的基站數(shù)據(jù)傳輸方式相比，在不增加系統(tǒng)帶寬的情況下，基站的峰值速率提升8倍。5G低頻終端多采用4根天線配置，支持下行4流接收和上行1流發(fā)送。以中國移動商用的帶寬和時隙配比為例，峰值速率約為1.6 Gbit/s，遠(yuǎn)高于目前商用的LTE網(wǎng)絡(luò)。

衰落場景單用戶不同信噪比下吞吐量比較如圖5所示，采用水平8探頭吸波暗室環(huán)境，通過CDL信道仿真計算的不同速度下終端的吞吐量結(jié)果。

由仿真結(jié)果可以看到，在5G的大規(guī)模MIMO天線配置下，單用戶吞吐量可以達(dá)到近乎峰值。在信道質(zhì)量好（SNR高）的情況下，LOS信道的峰值要低于NLOS信道。這表明，反射和散射徑所帶來的系統(tǒng)吞吐量提升，對于終端性能尤為重要。

圖5 衰落場景單用戶不同信噪比下吞吐量比較（3.5 GHz，100 Mbit/s帶寬）

5 結(jié)束語

終端性能測試作為5G技術(shù)與應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)，對于優(yōu)化終端設(shè)計方案、推進5G商用、反哺5G理論體系都有極其重要的意義。本文著眼于5G終端性能測試系統(tǒng)的構(gòu)建，從信道理論、OTA系統(tǒng)架構(gòu)、建模技術(shù)以及吞吐量仿真等各個維度，通過傳統(tǒng)方案與新技術(shù)的對比分析，給出了進行OTA性能測試的必要性與優(yōu)越性，指明了測試系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。

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Channel modeling and performance test method for 5G

WEI Guiming, ZHANG Xiang, GUO Yuhang, QIAO Shangbing

China Academy of Information and Communications Technology, Beijing 100191, China

With the rapid development of 5G wireless communication system, the throughput of 5G gNB and user equipment (UE) in the practical field environment is of great important. How to generate the accurate model in lab, which can represent the propogation condition in the field, has drawn great interests from both the academic and industrial communities. The channel modeling methods of 4G and 5G were introduced, and for 5G UE testing, the advantages of the multi-input multi-output (MIMO) and over-the-air (OTA) performance test solution were showed. Then, a detailed description of the OTA channel modeling principle and throughput simulation results were given in order to provide reference for related work.

5G, throughput, channel modeling, over-the-air testing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2021034

2020?09?18；

2021?02?04

張翔，zhangxiang1@caict.ac.cn

魏貴明（1970? ），男，中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心常務(wù)副主任，主要研究方向為移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)組織和發(fā)展策略等。

張翔（1984? ），男，博士，中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心副主任，主要研究方向為大規(guī)模天線技術(shù)、5G OTA測試方法、基站和終端的射頻與性能測試技術(shù)等。

郭宇航（1993? ），男，中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心工程師，主要研究方向為模擬外場測試系統(tǒng)構(gòu)建、OTA性能測試技術(shù)、5G FR1信道建模技術(shù)、無線產(chǎn)品的性能測試與標(biāo)準(zhǔn)化。

喬尚兵（1994? ），男，中國信息通信研究院移動通信創(chuàng)新中心工程師，主要研究方向為大規(guī)模天線技術(shù)、5G毫米波信道建模技術(shù)、OTA終端性能測試系統(tǒng)構(gòu)建、無線產(chǎn)品的性能測試與標(biāo)準(zhǔn)化。