5G Massive MIMO Array Testing using a Programmable Phase Matrix and Channel Emulator
本文介绍了利用可编程相控矩阵和信道模拟器进行 5G Massive MIMO 测试的方法。核心观点在于通过相控矩阵模拟空间方向，结合信道模拟器模拟时域、多径和相关性，以降低测试硬件资源需求，实现高效的 Massive MIMO 测试。
1. 引言
5G 无线通信系统发展迅速，其中 Massive MIMO 技术通过部署窄波束和深空隙提升容量。测试 Massive MIMO 理论上需要大量硬件资源，因此本文聚焦于 6GHz 以下的导线式 gNB 测试，因为许多 5G 频段分配在此范围内。本文提出的方法结合相控矩阵和信道模拟器，简化硬件需求，通过相控矩阵模拟单个空间方向，将信号输入信道模拟器，模拟移动性、信号相关性和多径扩展。
2. 测试系统描述
传统 Massive MIMO 测试需要大量射频通道，而现有信道模拟器硬件因体积和成本限制难以扩展。本文方法通过相控矩阵减少所需硬件资源，模拟多用户、多集群的无线电信道场景，评估容量增益、链路裕度和干扰控制等参数。测试系统需模拟空间环境（集群离开和到达方向）和时域模型（衰落行为和相关性），以评估 gNB 的主动天线系统。
3. 测试系统构建
典型 5G gNB 采用平面天线阵列和三维波束成形，接收模式下可观察上行链路信号。相控矩阵通过可调节的相位连接输入端口到输出端口，模拟单个空间方向，如测试室中的探针。信号通过相控矩阵输入信道模拟器，模拟多径和用户终端连接。虚拟探针定义 Massive MIMO 阵列观察的空间集群，其余信道通过信道模拟器模拟。
3.1 相控矩阵描述
相控矩阵由 M 个 N 维分频器连接 N 个 M 维合频器组成，每个输入输出连接具有可调节相位。输入端口数量通常大于输出端口，减少信道模拟器资源需求。例如，8x4 双极化阵列的 2D 平面阵列示例中，相控矩阵连接阵列到虚拟探针，生成相位表模拟阵列响应。
3.2 路径模拟
空中测试中，信号从物理方向观察，而导线测试中通过虚拟探针模拟。虚拟探针由相位矩阵表示阵列远场响应，需进行增益和相位校准。例如，2D 波束模式示例中，方位波束 30.7°，仰角 91.8°，侧瓣较多。通过生成相位表模拟阵列响应，每个极化由独立虚拟探针建模。
3.3 相控矩阵 + 信道模拟器校准
系统需进行相位校准，确保虚拟集群正确位置。校准过程包括禁用所有链路，逐个启用并测量相位，输入数据库。选择参考链路后，其他链路添加相应相位实现相干。校准系统如图 8 所示，gNB 具有 N 个端口，相控矩阵 M 个输出端口，信道模拟器 L 个输出端口。校准可保持功率循环，每月最多进行一次。
4. 信道建模
信道模拟器提供空间和时间相关性，定义虚拟探针数量和空间角度扩展。虚拟探针连接信道模拟器一侧，用户终端连接另一侧。双向路径在信道模拟器和相控矩阵中模拟，虚拟探针定义空间集群，信道模拟器模拟多径和相关性。
5. 结论
本文提出的方法通过相控矩阵模拟空间方向，结合信道模拟器模拟时域和多径，以降低测试硬件资源需求。相控矩阵增加可利用的天线元素数量，同时减少信道模拟器所需射频通道数量，形成成本高效且真实的 Massive MIMO 测试系统。
