1、引言

Massive MIMO（大規模天線）技術是4.5G/5G的關鍵技術之一，全球通信業者對Massive MIMO技術都非常關注。中國移動和日本軟銀已經開展了TD-LTE Massive MIMO技術。中國聯通、中國電信、Telkomsel等運營商完成了FDD Massive MIMO外場測試。我國5G第一階段試驗中Massive MIMO被作為關鍵技術，且有華為、中興、愛立信等5家廠商參與試驗。3GPP從R13版本開始已經將支持Massive MIMO作為重要特性之一。

Massive MIMO技術，在基站收發信機上使用大數量（如64/128/256等）的陣列天線實現了更大的無線數據流量和連接可靠性。相比于以前的單/雙極化天線及4/8通道天線，大規模天線技術能夠通過不同的維度（空域、時域、頻域、極化域等）提升頻譜和能量的利用效率；3D賦形和信道預估技術可以自適應地調整各天線陣子的相位和功率，顯著提高系統的波束指向準確性，將信號強度集中于特定指向區域和特定用戶群，在增強用戶信號的同時可以顯著降低小區內自干擾、鄰區干擾，是提升用戶信號載干比的絕佳技術。

如何評價Massive MIMO技術，采用什么樣的測試指標和測試方法，怎樣公平且高效的衡量Massive MIMO技術？這也是當前通信科技業者十分關心問題。

2、Massive MIMO系統架構

支持Massive MIMO的有源天線基站架構以三個主要功能模塊為代表：射頻收發單元陣列，射頻分配網絡和多天線陣列。

射頻收發單元陣列包含多個發射單元和接收單元。發射單元獲得基帶輸入并提供射頻發送輸出，射頻發送輸出將通過射頻分配網絡分配到天線陣列，接收單元執行與發射單元操作相反的工作。RDN將輸出信號分配到相應天線路徑和天線單元，并將天線的輸入信號分配到相反的方向。

RDN可包括在發射單元（或接收單元）和無源天線陣列之間簡單的一對一的映射。在這種情況下，射頻分配網絡將是一個邏輯實體但未必是一個物理實體。

天線陣列可包括各種實現和配置，如極化、空間分離等。

射頻收發單元陣列、射頻分配網絡和天線陣列的物理位置有可能不同于下圖邏輯表示，取決于實現。

圖1、支持Massive MIMO的有源天線基站架構

3、Massive MIMO測試技術

3.1、天線系統的演進對測試技術的挑戰

隨著天線系統向現代化的發展，尤其是5G的演進，一體化的基站有源天線系統（AAS）形態逐漸成為主流，通道數越來越多，有源天線連接方式也會簡化，RU和天線高度集成，射頻指標不再局限于傳統的RU傳導測試，OTA測試將成為未來測試演進的方向，同時也將帶來極大的測試挑戰。

表1、天線系統的演進對測試技術的挑戰

天線系統類型	天線系統特點	測試方式	是否支持 傳導測試	測試挑戰
RRU+天線	1、天線與RRU相互分離，天線與基站的設計制造可相對獨立； 2、RF性能要求在基站天線端口定義，通過標準接口進行傳導RF測試； 3、未考慮天線對RF性能的影響 4、天線作為網絡配套設備，主要考察Pattern和電路性能。	RRU和天線 獨立測試	是	成熟基站型態，測試技術成熟，無挑戰。
一體化 有源天線	1、天線和RRU一體化集成，非標準接口連接，天線設計需要與RF模塊設計同步； 2、天線口較少，RF性能要求可在天線口定義，測試比較繁瑣； 3、主要指標傳導測試，增加部分OTA測試。	一體化測試+ 分體測試	是， 接口非標準	1、傳導測試接口非標準，RRU RF指標無法反映一體化有源天線的性能； 2、部分需要OTA測試，測試標準需進一步明確。
Massive MIMO天線	1、天線與基站深度融合，傳統的部件獨立測試存在挑戰； 2、大規模的天線及射頻通道； 3、3GPP提出了RF指標OTA測試標準。	整機測試成為主流	取決整機設計	主流的整機設計將難以拆卸，存在無對外RF接口形態，需要依賴大量OTA測試，測試標準正在討論中。

3.2、測試信號調制化

圖2、測試信號調制

有源天線工作在各種業務載波狀態下實現網絡覆蓋，為真實測試有源天線性能，測試系統需要具備以下測試能力：

1、測試系統需求支持業務信號的幅度、相位測試。尤其是存在的大帶寬信號測試；

2、方向圖測試信號模式需要討論定義。

3.3、天線波束多樣化

圖3、Massive MIMO天線網絡覆蓋示意圖

在天線波束輻射特性趨于復雜場景下：

1：如何準確評估天線業務波束指向準確性、副瓣、波瓣寬度等；
2：如何選擇多波束的測試場景；
3：多波束天線的測試效率問題；
4：對于多波束如何通過二維的輻射特性，評估覆蓋性能。

測試建議：

1：需要評估在兩個主面下，有源天線尤其是Massive MIMO天線指標要求；需要研究定義3D輻射指標要求；
2：在真實業務信號下評估多波束輻射性能，建立測試Case集。

3.4、通信天線頻段高頻化

高頻（毫米波）覆蓋一直屬于業界難題，而Massive MIMO能很好解決該問題。其作為5G的擴展頻段，提供容量保障。

在同等數量天線單元情況下，頻率越高，覆蓋距離越短。高頻率的毫米波在覆蓋上有著天然的劣勢，然而，理論上這可以通過增加天線數量來補償。隨著頻段的上升，要想達到相同的覆蓋距離，就需要增加天線單元數量，這意味著天線成本的上升。所以，降低天線成本成又為5G 多天線技術的關鍵問題之一。

高頻Massive MIMO天線作為5G演進關鍵技術之一，幾個關鍵特征：高頻率、大帶寬、超大規模陣列天線。

這些關鍵特征對測試提出新的述求：

a) 高頻天線輻射指標重新分析定義；
b) 測試場地和儀器需支持大口徑超高頻天線的測試，尤其是OTA特性的測試；
c) 測試儀表需要支持超高頻、超寬帶信號的測試。

3.5、射頻指標測試空口化

隨著天線一體化發展，尤其是Massive MIMO天線，RF傳導射頻指標帶有輻射方向性，并且通道數量大。如何進行射頻指標的測試是目前遇到的一個巨大挑戰。目前均未清晰的技術途徑，3GPP標準上也在技術研討中。目前方向之一是進行空口測試，但如何對這些射頻指標空口性能進行定義，如何進行測試均是目前業界的難題。

目前射頻指標空口測試，3gpp R13標準明確定義EIRP和EIS，其他空口指標已經在最近的RAN 計劃的R14標準中立項分析。目前該部分內容目前非常復雜，各方都在研究當中，暫無明確結論如何對這些射頻指標進行空口測試。

目前主要分為兩部分：

a) 帶內指標---目前來看，如果天線性能已知，可以通過OTA現有測試方案進行評估。
b) 帶外指標---天線帶外性能未知，且帶外非常寬的頻點對空口測試是一個巨大挑戰！

3.6、3D波束賦形特性

建立在精確信道估計的3D-beamforming，以傳統的多個2D截面描述波束特性可能存在局限性。如下圖所示，從傳統E面和H面的切割并無法體現波束副瓣分布特性。而且Massive MIMO天線的業務波束是隨用戶在變化，則遍歷測試所有波束場景幾乎不可能。實際測試建議選擇典型業務場景進行測試。

Massive MIMO天線相對于傳統天線覆蓋，業務波束可能會更窄，其指向的準確性直接影響網絡覆蓋性能。因此其業務波束指向的準確性測試尤其重要。

每一個天線陣列能分裂出幾個波束也成為Massive MIMO網絡覆蓋性能的重要指標，在這幾個波束覆蓋下的用戶能實現的吞吐量如何也需要成為評估的一部分。

圖4、波束賦形特性

4、總結

隨著網絡的持續演進，天線與射頻模塊將深度融合，Massive MIMO有源天線將是未來天線的發展主流。一體化測試和空口測試可能成為未來測試的演進方向。

相比于傳統天線和射頻測試方法，測試指標以及評價體系，測試原理和方法、測試平臺等都遭遇重大挑戰，這些可能是移動通信系統天饋網絡前所未有的重大革新，亟待我們去探索。

作者簡介

劉罡，男，北京郵電大學電磁場與微波技術專業工學碩士?，F就職于中國信息通信研究院泰爾系統實驗室，高級工程師。主要研究方向：5G測試標準、OTA、EMC等。

吳翔，男，北京交通大學通信與信息系統專業工學碩士?，F就職于中國信息通信研究院泰爾系統實驗室，高級工程師。主要研究方向：5G測試標準、OTA、EMC等。