星河亮点产品经理马楠：信道模拟及5G关键技术测试

2017年6月12日，由IMT-2020（5G）推进组主办的2017年IMT-2020(5G)峰会在北京开幕。为期两天的大会以“5G标准与产业生态”为主题，邀请工信部领导以及数十家国内外主流移动通信和相关应用单位专家500多人参加会议讨论，并面向业界发布《5G网络技术测试规范》。

会上，北京星河亮点技术股份有限公司产品经理马楠发表了题为《信道模拟及5G关键技术测试》的主题演讲。

以下是演讲实录：

大家好，今天主要跟大家汇报一下星河亮点在5G测试方面研究的一些进展。前面刘博提到了，一些业内的专家，虽然我的头发并不白，但是实际上我在星河亮点已经工作16年了，看起来面相有点小，跟刚才秦总提到的一样，他在2015年转的行，我是在第2015年转行做的5G，但是还是在星河亮点。

下面我汇报一下我们的一些进展。首先这张图大家已经很熟悉了，我们实际上是从一个测试的角度把不同的场景进行了分割，对于三个场景里面，增强宽带我们分为了广域覆盖、热点覆盖，实际上讨论的内容会略有区别。实际上我们看到Massive MIMO在广域覆盖和热点覆盖都提到了，但是热点覆盖它的干扰和一些毫米波的使用还有高级的多指技术方式实际上考虑得更多一些。对于URLLC我们考虑的是更短时延以及实时性的处理，对于M2M，里面可能有非正交多指技术的考虑，这些我们在测试中都要有针对性地进行测试。说到我们的测试，对于我们一个测试仪表来讲，这是我们面向5G的仪表平台，它可能有四个需要重点关注的地方，第一个，我们需要有一个非常高性能的硬件处理平台，面对5G这种十倍甚至百倍的硬件能力的提升是必须的。第二点，大规模天线的使用必将成为趋势，对于这种高密度的射频前端，实际上也是必须要攻克的内容。第三点，对于5G来讲，Massive MIMO引入之后，它的信道模型发生显著变化。还有一些特殊的场景，像我们国家的高铁，它在非常高速的情况下，还有山川隧道的场景、低空空间信道的模型，还有建模对我们评估整个设备的性能还是非常重要的。最后对于5G来讲，因为5G的变化非常快，有很多新的技术，实际上这个技术我们现在完全跟踪变化，像刘博提到的，终端测试企业跟踪的进度并没有那么快，一方面协议变化太快，另一方面技术太多，面对5G的技术怎么办，也是我们需要问自己的问题。

下面分四个部分来阐述我们的想法。

第一个，我们提到需要有一个非常强大的平台，星河亮点在测试领域已经耕耘了17年，实际上这个平台已经是第三代平台，面向5G的平台，这个平台本身有一个非常高速的处理能力，我们看到这个平台实际上它基于一个AXIE的架构，通过可插卡的方式，去实现了整个能力的扩展和变化。核心有一个非常高效的交换结构，能够提供超过500G的交换能力。而且它可以提供非常丰富的外部接口，可以进行进一步的扩展。中间的部分，我们叫CXU，实际上是中间的控制单元，两边RFU，射频单元。这边是两个不同的基带处理单元，一个是CEU，一个是XPU，我们设计了两种不同的基带的板卡，一个是面对大容量的处理，一个是面对低时延高可靠性的处理。我们可以通过进一步的扩展，因为我们这是个插槽的结构。这是信道整个平面的背板结构。对于基带和射频处理，基带实际上需要处理大容量的数据，需要非常强大的基带处理能力，而射频需要一个非常高密度的射频。这页胶片是是我们SPU信号处理单元的设计，它是通过两片DSP和两片FPGA的较架构，强调的是可编程的能力。在5G的外场也是用的这种平台，DSP的平相对来说更加灵活一些，所以它的DSP多一些，FPGA稍微少一些，整个处于比较均衡的状态。相对于4G，红色的是4G，蓝色是5G的平台，这个和刚才康总的平台正好相反，我们看到这个平台的能力相对于4G的平台已经扩充了非常多倍，有很多具体的数据，大概在10倍以上。刚才康总提到，对于终端来讲，它的能力提升有5到10倍之多。作为一个测试仪表，如果是测试终端，需要模拟一个基站，基站的处理能力实际上要很多倍于终端。在基站模拟的时候，在终端测试的时候，实际上我们更多的是对单一终端的测试，对终端性能通过终端能力测试的时候，实际上模拟的一个终端的情况。万一不够，我们也通过级联的模式，可以通过多表级联，进一步扩充能力。这么一个射频，我们的一个机框可以插5个板卡，一个单表里最多可以支持20路，我们评估了我们这个处理平台通过简单级联就可以做到128路天线，但是成本非常高，所以我们应用的还是比较小的数量级。我们现在验证到单表插2路射频，做到8路射频。接下来要对MIMO进行一个测试，实际上这个大家提得比较多，Massive MIMO有很多好的特性，Massive MIMO还可以带来一些干扰的规避，多指接入上的提升。对于Massive MIMO实际上它有一个难点，对于信道建模的考虑，信道建模实际上我们在以前也在做，对于Massive MIMO场景下，信道模拟主要面临三个挑战。第一个是我们在三维模型的实现，在以前我们主要假设的是一个平面波，在平面波的时候只有水平维度的一个到达角和离开角的信息，到了Massive MIMO阶段是因为天线阵列的存在，体积比较大，不能简单地以平面波来模拟，所以我们需要将模拟的参数从原来的五个维度变成七个维度，对于我们建模本身来讲本身就是一个比较大的挑战，它有一个新的模型。第二个，球面波假设，我们原来的假设都是原厂假设，到了Massive MIMO，因为整个天线的尺寸变大，远场假设不存在了，变成近场，它和距离的平方成正比，我们大部分情况下可能不能简单地以一个原厂假设来进行前提。到了Massive MIMO时候，我们需要有一个球面波来模拟，有一个弧度。球面波带来的问题是，我们在每一点上，它到不同点之间，它到达的时候我们算多普勒平移还有角度的时候实际上不一样，不能按照同一个值来算，这对模拟产生了很多条件。第三个，我们的一个非平稳的过程的模拟，Massive MIMO的天线和基站中间有散射体的存在，散射体因为天线阵比较大，散射体对某些阵子来讲是散射体，对某些某些阵子来讲就不是散射体。散射体可见性由于它有非常直观的集合特性，更方便我们的使用和理解。

基于以上的三个挑战，我们提出了一种散射体可见区域算法来描述我们散射体，在球面波的假设下，通过对散射体的阈值，表示某一阵子能不能经过散射体的散射产生影响，这个阈值有很多不同的算法，我们提出了一种算法，对这个仿真结果，时间关系不多说了，大家可以看到，像第一幅，它是随着我们空间距离的增加，相关性减弱，这些都是和理论值同一个趋势的。论文实际上访问的结论大概只是它的数据你可能觉得有更多的意义。比如有意思的结论，左下角这幅图，实际上我们看到，K是天线的编号，我们看到不同的天线、阵子之间它的相关性和编号是有关系的，对于一个大规模天线的阵来讲，不同位置的天线之间已经不是统一的一种分布，由于它的编号实际上对应它的位置不同，它在空间上信道的模型就会不同。我们应用的时候，对于更精细来讲，每个阵子的点实际上影响了最终的效果。其他结论大家有兴趣咱们可以下来再讨论。

对于Massive MIMO测试，我们推荐的还是这种多探头的方式，通过把我们的信道模型的算法加载到其中，在一个消音暗室中进行基站或者终端测试，我们认为在未来5G中是一个趋势。引入原因主要是因为天线数据越来越多，每次连接校准时间很长，不现实。另外随着体积越来越小，单独每一路给出一个射频口的可能性不太大，所以必须要通过暗室的方式来测试。这里我们也提出了一个比较偏学术的想法，我们知道以前对于一个终端测试，我们实际上是把UE放在了暗室中间，对于大体积的Massive MIMO的BS基站，我们在考虑通过一些算法的模拟，我们把基站和探头分在暗室两端，充分利用暗室的直径，这样体积可以缩小一倍。这是我们目前应用在怀柔外场的设备，面向5G的测试仪，用到了三个设备，交换单位、信号处理单元和射频单元，可以做到5G波形的验证。

这是我们面向5G应用的信道仿真器，是我们最新的产品，目前来说难度也非常高，我们也投入了很多的精力去研发。现在这个信道仿真器它有两组高密度的射频，支持独立的8个通道，有两组基带处理单元CEU，上面有一个交换单元，总共组成了一个单表形式。单表形式现在可以做到单向的4×4MIMO，如果我们想进一步扩展能力么办，实际上我们提供了很多选项，比如把射频完全放在一个单元里，基带放在单元里，通过这种方式来进行实现。或者用多个射频加上基带的方式，组成一个更为复杂的系统，目前来讲成本确实非常高，后面可能还要进一步提升我们的能力。

另外一方面，我们基于信道模拟器的平台，我们做一些特殊信道的建模，我们通过一个发射端发出一些特定的序列，通过空间信道的传播，有接收端进行接收，每一路通过高速留盘设备进行存储，存储到硬盘上我们再做后处理。通过信道冲击响应去提取一些信道参数，对不同的场景、不同的信道我们进行仿真。随着PC运算能力越来越强，可以看到整个算法的处理也会有很多的前景。

5G具体的一些关键技术测试，这里不多讲了，星河亮点和北邮有深厚的合作，在北邮那边我也领导了一个团队，搭建了一些研究平台，目前还处于研究阶段。

最后讲一下NB-IoT，前5G在大规模连接上的解决方案。这是我们的三个解决方案，实际上支持NB-IoT。这是我们认证的情况。最后谢谢IMT-2020给我们星河亮点这个机会，谢谢。