【導讀】在這篇文章我們來了解下NR 預編碼碼本的設計思路，預編碼與模擬波束賦形在Massive MIMO 上的結合
，以及Keysight Multi Transceiver RF Test Set (E6464A/E6416A)在Massive MIMO 波束賦形測試中的應用。

LTE和NR的一個關鍵技術是MIMO傳輸，隨著有源天線陣列(active antenna array)的出現，使得在基站上利用大量的天線單元變得可行。對2D有源天線陣列在每個可用的空間維度進行波束賦形可以對傳播空間的垂直和水平維度進行更好的覆蓋。同時LTE FD-MIMO 以及NR設計了多達32個數字天線端口來進行自適應預編碼。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 用於蜂窩通信。

與sub 6GHz的(de)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)不(bu)同(tong)，毫(hao)米(mi)波(bo)傳(chuan)輸(shu)具(ju)有(you)更(geng)多(duo)的(de)路(lu)徑(jing)損(sun)耗(hao)，使(shi)用(yong)更(geng)多(duo)的(de)天(tian)線(xian)單(dan)元(yuan)進(jin)行(xing)波(bo)束(shu)成(cheng)形(xing)使(shi)能(neng)量(liang)更(geng)集(ji)中(zhong)對(dui)於(yu)確(que)保(bao)足(zu)夠(gou)的(de)覆(fu)蓋(gai)範(fan)圍(wei)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。因(yin)此(ci)在(zai)毫(hao)米(mi)波(bo)的(de)蜂(feng)窩(wo)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)設(she)計(ji)中(zhong)
，僅(jin)利(li)用(yong)大(da)量(liang)數(shu)字(zi)預(yu)編(bian)碼(ma)端(duan)口(kou)是(shi)不(bu)可(ke)行(xing)的(de)。需(xu)要(yao)將(jiang)數(shu)字(zi)預(yu)編(bian)碼(ma)與(yu)模(mo)擬(ni)波(bo)束(shu)賦(fu)形(xing)結(jie)合(he)，也(ye)就(jiu)是(shi)混(hun)合(he)波(bo)束(shu)賦(fu)型(xing)技(ji)術(shu)。在(zai)下(xia)麵(mian)的(de)混(hun)合(he)波(bo)束(shu)賦(fu)型(xing)係(xi)統(tong)框(kuang)圖(tu)中(zhong)NR定義了12個DMRS  ports, 32 個CSI-RS ports。基站物理天線的個數N_T可以多達64, 128, 196等等。

混合波束賦形技術

MIMO傳輸方案的關鍵組成部分之一是在基站測獲得信道狀態信息(channel state information CSI)
，特別是對於多用戶MIMO(MU-MIMO)準確的CSI是確保多用戶係統有效的必要條件。不夠精準的的CSI不僅影響多用戶係統中每一個用戶的性能和吞吐受損，同時也會增加多用戶之間的幹擾從而進一步惡化係統性能。

LTE Rel 14之前CSI反饋框架是以隱形(implicit)的形式存在的，包括：

· 預編碼矩陣指示(precoding matrix index – PMI)：對應下行信道的特征向量，反應信道的空間特性。沿著這些向量的下行信道具有較強能量，並且對應著預編碼碼本中一個索引。

· 秩指示(rank indicator – RI)：下行空間信道支持的獨立數據流的個數。

· 信道質量指示(channel quality indicator - CQI)：使用PMI 作為預編碼向量時的信道強度指示。

Implicit CSI 反饋在計算CSI時存在固有的單用戶假設，這種implicit的反饋方式對於MU-MIMO傳輸是不足夠的。從Rel 14開始3GPP提供了基於碼本線性組合的高分辨率信道反饋報告機製。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設計
，沿用了LTE的兩步碼本的結構，預編碼器W=W₁*W₂。W₁捕獲信道中寬帶信息並用來反應信道的長期且與頻率無關的特性，W₂捕獲信道的快速衰落特性及子帶級別的信道信息（多個RB）並對兩個極化方向間的天線進行相位調節。Type I碼本支持最高達rank8。

如上篇文章所屬
，碼本以及CSI 反饋機製的設計一直是LTE/NR 標準化中討論最多的部分。這兩點不僅涉及到空間信道反饋信息的精確程度更關係到整體的信令開銷。3GPP TS 38.214中對碼本以及碼字有詳盡的描述，這裏想通過一個簡單的例子帶大家理解下NR Type-I single panel 碼本構成。

假設一個2*2的雙極化天線panel，N₁ =2, N₂=2, O₁=2, O₂=2, rank=1如下圖。

2*2 雙極化天線麵板

W₁ 碼本是用來描述一個極化方向上的信道方向性。矩陣因子是由DFT矩陣塊構成的，W₁ 中列向量見正交，並構成一個beam group。W₁ 中正交列向量的個數由N₁, N₂, O₁, O₂ 的個數決定。在本例中O₁, O₂ 均為1。O₁, O₂ 代表在天線陣列排布的兩個方向上DFT過采樣的倍數
，O₁, O₂ 越大每一個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NR Type I兩級碼本設計的思路的總結。

[1]

NR Type -II 碼本

Type I 碼本在NR 標準中適用與 SU-MIMO 場景，Type II碼本則是為MU-MIMO設計的。由於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據傳輸(rank=2)。Type II 碼本采用線性組合（linear combination）碼本，碼本分辨率足夠高
，可以更準確地刻畫信道的空間特性。Type II可以被認為是“顯式(explicit)CSI”
，也就是說碼本是用來直接描述實際信道的方向和能量，而不是用DFT正交向量去逼近實際信道。因此Type II碼本會有更高的信令開銷。

由於Type II 碼本的細節過於複雜本文不做贅述
，總結幾點Type II與Type I碼本的區別 

●  Type II CSI的預編碼矩陣是非恒定模量的，不同的預編碼向量可以具有不同的幅度。

●  W₁ 矩陣選擇一個DFT向量的大小為L的子集（L∈{2, 3, 4}），作為W₂ 進行線性合並的正交基。

●  相對於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行linear combination幅度和相位。

下圖是3GPP 文檔[1] 中對NR Type II兩級碼本設計的思路的總結。

[1]

基於SRS 信號的信道狀態信息反饋

基於碼本的信道狀態信息反饋和預編碼也被稱為GoB (grid of beams)

，終端需要在眾多可能的beam中選擇一個或者幾個的組合進行CSI 反饋。

在TDD係統中上下行使用相同頻率進行信號傳輸，因此上下行信道是相同的。因此可以利用上行的SRS導頻信號並經過上下行互異性補償算法修正後對下行信道進行估計。但是由於終端的發射天線數量一般少於接收天線數量，在基於SRS的信道反饋及預編碼時需要通過開關將單個發射射頻鏈路切換到不同的接收天線，這稱為SRS發射天線切換(TAS)。為每個接收天線單獨傳輸SRS，基站能夠直接從接收到的SRS響應構建一個完整信道矩陣。隻要接收到的SRS質量足夠高，基站可以確定最佳波束賦形權重
，以最大化下行容量，而不會出現任何量化誤差。

SRS 發射天線切換示意圖 [2]

波束賦形

預yu編bian碼ma技ji術shu可ke以yi理li解jie為wei數shu字zi波bo束shu賦fu形xing。基ji站zhan獲huo得de終zhong端duan信xin道dao狀zhuang態tai後hou，在zai數shu字zi域yu設she計ji預yu編bian碼ma矩ju陣zhen從cong而er使shi得de從cong邏luo輯ji天tian線xian端duan口kou發fa射she的de信xin號hao具ju有you一yi定ding的de方fang向xiang性xing。每mei一yi個ge邏luo輯ji天tian線xian端duan口kou都dou對dui應ying一yi套tao基ji帶dai-射頻收發鏈路，包括下圖的Digital BF, DFE, DAC/ACD 以及RF module部分。

NR 標準中一共定義了32 個 CSI-RS ports，可以支持多大32geluojitianxianduankou。wulunjizhanyouduoshaogetianxiandanyuan，zhongduancezhinenggouganzhidaozailuojitianxianduankoudecunzai
，bingduiluojitianxianduankoudexindaojinxingceliangjishangbao。NR 增加了3GHz – 6GHz的頻段並將FR2的頻率範圍擴展到了毫米波
，更短的波長使得大規模天線陣列的部署成為可能。

下圖中
，從conducted test interface 到antenna array panel的映射是實現相關的，不同基站廠商會有不同的設計。目前sub 6GHz商用基站可以支持128個天線單元，大多數廠商會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
，例如直接對幾個天線單元進行並聯。

Keysight 多收發大規模天線陣列測試方案（MTRX）

預編碼和波束賦型的驗證對massive MIMO 及O-RAN係統的有效性來說至關重要。在上篇文章中我們介紹了Massive MIMO測試麵臨的挑戰。Massive MIMO的性能驗證首先需要提供足夠多的射頻端口數目
，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massive MIMO係統預編碼及波束賦形算法進行驗證。

Keysight E6464A/E6416A多收發射頻測試儀(MTRX)。MTRX是一種可擴展的射頻測平台。一台E6464A/E6416A可以提供最多64/16個矢量信號分析儀(VSA)和64/16個矢量信號發生器(VSG)。MTRX內置數字預編碼和massive MIMO信號加權矩陣功能，同時支持直通連接選項，可以對網絡和設備進行端到端波束賦形測試。

● MTRX 可以進行sequenced 實時MU-MIMO波束權重測量
，並支持在實時網絡和終端測試中嵌入RF及波束測量。

● 配合Pathwave 信號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並通過改變beam weight形成變化的波束來對來進行波束跟蹤，波束重建的波束管理功能測試。

● MTRX可以同時抓取所有射頻端口的接收信號並在內置的89600 VSA軟件中實時分析。下圖是利用MTRX 配合89600軟件對一個運行在3.5GHz頻段具有32TRX的O-RU進行的下行信號分析。天線設置如下圖。

除了傳統的信號質量分析外，89600 還可以提供天線權重，波束方向，波束寬度等分析。

當選擇隻進行PDSCH的beam pattern分析時，VSA 界麵上可以看到PDSCH的beam pattern。在本demo中 PDSCH 指向水平-50度的方向。發射信號隻配置了一個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PDSCH/DMRS進行波束賦形的beam weight。

當選中SSB 作為分析對象時，beam pattern 窗口可以呈現出不同的SSB beam 的beam pattern以及beam weight。

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

● 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MTRX具有卓越的射頻指標係統。係統發射和接收的殘餘EVM可達<0.35%，具體指標請注冊獲取並查閱MTRX Data Sheet。

參考文獻：

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

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

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