5G 全频段 MIMO 信道测量参考解决方案

加速 5G 信道测量研究，包括毫米波、超宽带和 MIMO 解决方案

当前的 LTE/LTE-Advanced 标准显然不能满足用户对更高的数据吞吐量、更大的网络容量和更高的可靠性的需求。所以，新的 5G 蜂窝标准正在开发，以期达到所需的性能目标，并能与 4G 技术共存。频率在 6 GHz 以下的无线信道准备投入应用，例如 3.6 和 5 GHz 信道。但在 6 GHz 以下的频段可用频谱非常有限，所以下一代蜂窝系统正着眼于毫米波频段，因为它能够支持宽带传输。新的空中接口标准正在研发中，它们覆盖了 6 GHz 以上的频段，包括 15、28、32、38、45、72 GHz 以更高频率。

为了定义毫米波频段上新的信道模型，研究和设计工程师需要了解无线信号如何在特定频率上传播。在这些更高的频段上，最主要的障碍有路径损耗、多普勒效应、氧气吸收损耗和雨水等环境影响因素，可利用信道测量技术分析这些障碍给信号传输带来的影响。信道测量技术使用数学模型来提取无线信道的特征，以确定在给定频率上的信道性能。是德科技的信道测量参考解决方案整合了计量级、商用现成的硬件和 5G 信道测量所用的软件，以及可选的服务，从而能够对潜在的 5G 信道进行深入分析。

5G 信道测量的测试挑战

评估新的频段需要使用非常复杂的多信道仪器对潜在信道进行捕获和表征，包括精密定时和同步以及高级软件。主要测量包括：

• – 根据幅度、解扩相位、群时延参数测量频率响应

• – 绝对路径损耗和路径时延分布（PDP）

• – 到达角（AoA）

• – 离去角（AoD）

设计和研究工程师面临的主要测试挑战如下：

• – 在毫米波频率上生成和分析宽带 MIMO 信号

• – 对宽带发射机和接收机测试执行校准，包括矢量预校正、IQ 频率响应和 IQ 失衡、信道间偏差

• – 花费大量时间去采集和管理海量数据

• – Tx/Rx 定时和同步，以获得精确的测量结果

技术挑战

• – 信号生成和捕获

• – 毫米波频段

• – 超宽带宽

• – MIMO

• – 数据流和存储

• – 信道参数估计

• – 校准和同步

5G 信道测量参考解决方案

为帮助解决这些测试挑战，5G 信道测量参考解决方案结合了是德科技的硬件、软件和专业测量技术，这些是构成 5G 信道测量测试平台的基本组件。该解决方案支持工程师和研究人员根据需要使用、增强或修改测试平台，以满足特定的测试应用需求，例如扩展信道数、在毫米波频率上传输和测量、超宽的传输和分析带宽、捕获数据并进行后期处理。该参考解决方案使用宽带信号在发射机上快速切换的方式相关，然后在接收机上并行采集，如下图 1 所示。

图1. 图中描述了宽带信号关联，在接收机上进行并行采集

通过在接收机上进行并行采集，可以捕获到多个信号，把信号发送到数字化仪中的 FPGA 进行处理。参考解决方案软件对在 M9703B 数字化仪的 FPGA 上获得的信道脉冲响应（CIR）数据进行实时关联和处理，加速数据采集过程，明显降低了对数据数量的需求。使用 SystemVue 中的定制算法也可以对信道参数估算进行后期处理。

校准和同步对于实现精确测量至关重要，例如绝对时延、AoA、 AoD 等参数。除了系统校准以外，相位相参测量还包括通道间幅相一致性。参考解决方案利用高精度的 10 MHz LO（由铷时钟提供）和触发，可使 Tx 和 Rx 实现精准同步。

该 5G 信道测量参考解决方案支持频率范围高达 44 GHz 的应用，激励信号可具有 2 GHz带宽带宽；接收部分具有 1 GHz 分析带宽，并多达 8 个信道。定制解决方案能够支持更高的频率范围、更宽的分析带宽和更多的信道。如果您的应用需要定制解决方案，请与是德科技公司联系。

参考解决方案的体系结构

下面显示了 5G 信道测量参考解决方案的简单结构图。该解决方案是灵活可扩展的。它通过添加额外的下变频器和数字化仪进行扩展，可支持更多的信道，或使用是德科技的智能混频器提高信号频率。

图 2. 5G 信道测量参考解决方案的体系结构

参考解决方案的特性和优势

主要性能技术指标

参考解决方案提供：

– 频率高达 44 GHz、带宽为 1 GHz 的 Tx/Rx，可借助是德科技智能混频器进行扩展

– 4 或 8 个 MIMO 信道，可扩展为 104 个信道

– 捕获多个相位相干信道，使用板上 FPGA 对信道脉冲响应（CIR）进行实时处理

– IO 控制可使 Tx 和 Rx 同步为精度 <1 e-12，稳定性 <1e-12

5G 信道测量软件

信道测量表征有几个步骤。

软件的作用如下：

– 可用于控制仪器，执行高度同步的测量，生成精确的绝对时 延结果
– 生成信道测量信号，捕获表征所需的数据
– 使用数学模型对数据进行后期处理，提取信道参数
– 执行系统校准，确保精确的结果

信道测量信号

信道测量信号是探测系统不可或缺的部分。是德科技为生成信道 测量信号提供了多个选件，可使用信号生成工具生成该信号，例 如 SystemVue、波形生成器或 Signal Studio。是德科技的专业服 务团队也能生成定制的探测信号。

信道冲击响应（CIR） 和信道参数提取

参考解决方案可使用软件来捕获、关联和处理 CIR 数据，软件也 能离线进行信道参数提取。可用不同的算法对信道参数进行提取， 每种算法各有其优缺点。是德科技使用 SAGE 算法在 SystemVue 平台上提供定制信号参数提取。

仿真新的信道模型

一旦信道建模完成，SystemVue 5G 基带探索库可针对新的信道 模型提供链路级仿真，并支持扩展到 MIMO 信道。集成的仿真环 境可以让用户借助环路上的硬件对新设计进行调查、实施和验证。

图 3. MIMO 信道测量、参数提取、建模和仿真

Y1299A 参考解决方案启动套件

信道测量表征有几个步骤。参考解决方案包括 Y1299-006 工具套件，套件为用户提供配置和测试工具，帮助他们加快完成复杂信号探测表征。

与参考解决方案一起提供的 I/O 控制软件可以实现仪器的精密时序和控制，它可以让 Tx 和 Rx 子系统保持同步，确保绝对时延测量得到精确的结果。

该软件控制 Tx 开关子系统，使用高度同步的 10 MHz GPS 参考时钟和触发，使探测激励信号的生成和采集同步。这样可确保测量是在正确时间内进行。

图 4. IO 控制软件，仪器设置为同步和触发

图 5. IO 控制软件及 IQ 平衡校准

图 6. IO 控制软件执行数字化仪通道间校正

系统校准

为了获得精准的信道测量测量结果，校准是非常重要的。参考解决方案通过 M9099 波形生成器和 89600 VSA 软件以及特定说明提供校准服务：

– 系统脉冲响应
– I/Q 不平衡
– 多信道幅度和相位偏移
– 功率

数据存储和数据流

信道测量分析需要长时间采集大量的数据做基础。当涉及到超宽带和 MIMO 时，对数据存储的要求也会很高。为了优化和减少数据采集，参考解决方案通过 M9703A FPGA 提供实时数据处理能力，以便对数据进行实时关联和处理，生成有效的信道冲击响应（CIR） 数据。数据可以保存到存储器，或离线发送，以进行后期处理。