5G NR MIMO性能评估

目前用于NR评估主要使用1D/2D均匀矩形面板阵列模型，目的是允许在天线布置上有更多的自由度。更具体地说，该天线面板阵列每列和每行分别具有（Mg,Ng）天线面板，并且具有均匀的（dg,H, dg,V）面板间距，如图1所示。

这些天线元件由TX和RX射频（RF）链通过RF开关共享，RF开关也被称为RF多路复用器，默认情况下，在6GHz以下的系统中被广泛使用。随着频率增加，由于TX和RX天线元件共用而引起的信号衰减在以下方面变得更加严重：

1. 由连接天线和射频链发射（或接收）输出（或输入）侧的传输线或馈线引起的传输损耗；

2. 通过发送/接收（T/R）开关的插入损耗；

这两点会导致信号功率的大幅度衰减。例如，在工业上，一个6.6Ghz和8×1复用RF固态开关的插入损耗高达6.6db。即使在理想的实验室条件下，CMOS差分T/R开关在20GHz时仍具有不小于2db的插入损耗。因此，在实践中，6GHz以上的RF链通常与天线元件保持闭合，并且天线元件专用于TX或RX链。假设整个天线元件分别用于RX和TX，则可以节省上述RF切换的损耗以及传输馈线的增加。值得注意的是，随着频率的增加，高频收发器的天线阵列变得更易于集成，并且其相应的成本在6GHz以下显著降低，这意味着由TX/RX天线元件专用性引起的天线元件的增加是可接受的。

如图2所示，提出了一种TX/RX专用1D/2D矩形面板阵列模型，其中等尺寸的天线元件专用于TX或RX射频链，dx,H表示TX和RX面板相邻面板中心之间的水平距离。由于TX和RX元件被放置在不同的物理位置，因此保留天线元件对信道特性（例如：信道互易性）的影响。

天线的配置是怎样的？

表1列出了NR MIMO评估的天线配置。注意事项如下：

1. 支持双极化，如图3所示，在30GHz和70GHz的面板中放置单极化的天线元件。

2. 对于30GHz和70GHz，TXRU的数量限制为16个

3. 对于30GHz和70GHz，每个面板每个极化考虑一个TXRU

4. 考虑到面板尺寸和波束宽度，MxN限制为8×8或以下

关于基站功率，一般建议UMa和密集城区宏站TRP的Tx功率设置为42 dBm，然而，密集城区宏站的ISD（200m）与UMa的ISD（500m）不同。在过去，例如FD-MIMO，具有ISD（Inter-Site Distance） 200m的3D-UMa的Tx功率（即38dbm）低于具有ISD 500m的3D-UMa的Tx功率（即43dBm）。

在各种ISD和发射功率下，频率30GHz的UMa的性能曲线如图4所示，其中天线阵Mg=Ng=1，（M，N，P）=（10,1,1），dV=0.5λ。结果是，500m的UMa与200m的UMa的几何/耦合损耗曲线不同，也就是说，在CDF为50%时，500m的UMa的耦合损耗比200m的UMa低约200m，且密集城区场景具有微层。与密集城区场景相比，采用500m ISD的UMa场景的覆盖限制要严重得多，因此在这两种场景中考虑不同的发送功率更有意义。

相位噪声的影响是本振信号的相位调制。也就是说，该相位调制被直接传送到所需信号上，所述信号可以被写入

相位噪声一般用功率谱密度函数来表示。考虑到实际中相位误差校正的存在，在NR系统仿真中，低频偏移处的噪声贡献可以忽略不计。因此，锁相环输出的相位噪声可以简单地建模为高通低通滤波的压控振荡器相位噪声，其PSD（power spectral density）可以表示为一个简单的一极一零行为模型，如下：

K是PLL(Phase-Locked Loop)环路滤波器带宽以下的低频相位噪声，fp是极频率（即PLL给出的高通滤波器的截止频率），f2是由VCO(Voltage Controlled Oscillator)的噪声地板确定的零频率。利用相位噪声功率谱密度模型，产生时域相位噪声并用于系统仿真。

I/Q不平衡，也称为IQ失配，是指正交调制器/解调器中I和Q分支之间的不平衡和偏移。I/Q失配主要源于射频收发器中有源和无源元件的有限布局公差。这个问题在直接转换收发器中尤其严重，因为其正交调制/解调频率远高于超外差收发器的频率。在设计最有可能使用直接转换收发器的6GHz以上系统时，在任何系统仿真中都必须考虑I/Q失配，以便进行精确的性能评估。随着载波频率的增加，I路和Q路之间的Π/2相位差对于收发器的实现变得更加困难，并且不平衡的相应影响显得不可忽略。

I/Q失配可分为两个参数：增益失配(ε)和相位失配 (?)。遭受这种I/Q失配的复基带输出信号y（t）可以表示为