面向IMT-2020的大規模天線技術

蘇昕 大唐無線移動創新中心技術專家

孫韶輝 大唐無線移動創新中心總工程師

康紹莉 大唐無線移動創新中心技術專家

蘇進 喜大唐移動通信設備有限公司技術專家

蔡月民 大唐移動通信設備有限公司總工程師

面向IMT-2020的大規模天線技術

蘇昕 大唐無線移動創新中心技術專家

孫韶輝 大唐無線移動創新中心總工程師

康紹莉 大唐無線移動創新中心技術專家

蘇進 喜大唐移動通信設備有限公司技術專家

蔡月民 大唐移動通信設備有限公司總工程師

從技術原理、關鍵技術研究和標準化發展情況等方面對大規模天線技術進行了整體的概述。在此基礎之上，結合工信部5G技術研發試驗第一階段測試工作的開展情況，對大唐電信集團重點參與的大規模天線設備和5G基站驗證平臺設計方案進行了探討，對大規模天線技術的測試方案與測試結果進行了分析與說明。最后，對大規模天線技術的后續研究和標準推進、設備開發和試驗驗證等工作方向進行了展望。

IMT-2020；5G；MIMO；massive MIMO

1 大規模天線技術概述

高速無線數據接入業務與用戶數量的迅速增長，需要更高速率、更大系統容量的無線鏈路的支持，而決定無線鏈路傳輸效能的最根本因素在于信道容量。多天線信息理論證明了在無線通信鏈路的收、發兩端均使用多個天線的通信系統所具有的信道容量將遠遠超越傳統單天線系統信息傳輸能力極限。多天線信息理論為MIMO技術的發展提供了堅實的理論基礎，展現了其在高速無線接入系統中的廣闊應用前景。

由于多天線技術在提升峰值速率、系統頻帶利用效率與傳輸可靠性等方面的巨大優勢，該技術目前已廣泛地應用于幾乎所有主流的無線接入系統中。對于構建在OFDM+MIMO構架之上的LTE系統而言，MIMO作為其標志性技術之一，在LTE的幾乎所有發

展階段都是其最核心的支撐力量之一。MIMO技術對于提高數據傳輸的峰值速率與可靠性、擴展覆蓋、抑制干擾、增加系統容量、提升系統吞吐量都發揮著重要作用。

MIMO技術的性能增益來自于多天線信道的空間自由度，因此MIMO維度的擴展一直是該技術標準化和產業化發展的一個重要方向。隨著數據傳輸業務與用戶數量的激增，未來移動通信系統將面臨更大的技術壓力。在這一技術發展背景之下，大規模天線理論應運而生。

根據概率統計學原理，當基站側天線數遠大于用戶天線數時，基站到各個用戶的信道將趨于正交。這種情況下，用戶間干擾將趨于消失，而巨大的陣列增益將能夠有效地提升每個用戶的信噪比，從而能夠在相同的時頻資源共同調度更多用戶。

MassiveMIMO技術理論的出現以及有源天線技術在商用移動通信系統中應用條件的日益成熟，為MIMO維度的進一步擴展奠定了理論和可實現性基礎，為MIMO技術進一步向著大規?；?D化方向的發展創造了有利條件。

在實際應用中，通過大規模天線陣列，基站可以在三維空間形成具有高空間分辨能力的高增益窄細波束，能夠提供更靈活的空間復用能力，改善接收端接收信號并更好地抑制用戶間的干擾，從而實現更高的系統容量和頻譜利用效率。

大規模天線技術的潛在應用場景包括：集中式覆蓋、高層建筑、異構網絡場景、室內外熱點以及郊區、無線回傳鏈路等。此外，以分布式天線的形式構建大規模天線系統也可能成為該技術的應用場景之一。在需要廣域覆蓋的場景，大規模天線技術可以利用現有頻段。在熱點覆蓋或回傳鏈路等場景中，則可以考慮使用更高的頻段。由于頻段直接決定了天線系統的尺寸，高頻段的應用對于大規模天線陣列的小型化與實際網絡部署十分有利。而在高頻段中，也需要大規模天線系統所提供的高波束增益來彌補傳播環境中非理想因素的影響?？梢灶A見的是，大規模天線技術在實際應用中將會與高頻段技術緊密結合。

2 大規模天線技術研究和標準化推進進展

MassiveMIMO的理論研究結論及初步性能評估、驗證結果為我們描繪出了該技術在未來移動通信系統中的美好發展前景。鑒于MassiveMIMO技術對于提升系統性能的巨大潛力，包括ITU、3GPP、歐盟的METIS、5G-PPP、韓國的5G Forum、我國的IMT-2020（5G）推進組和FuTURE等研究和標準化組織也都將大規模MIMO技術作為5G系統最重要的基礎技術之一，并紛紛展開了相應的研究工作。

需要注意的是，盡管學術界已經對這一技術進行了較為廣泛的研究，在MassiveMIMO技術從理論研究轉向標準化、實用化的重要轉折時期，仍然存在若干關鍵技術問題需要進一步深入研究：

（1）MassiveMIMO應用場景的研究與建模

MIMO技術方案的性能增益與應用場景和部署環境具有非常密切的關系，因此有必要結合下一代移動通信系統的部署場景與業務需求，有針對性地研究MassiveMIMO的適用場景，并對其典型的應用場景及信道特性進行信道參數的測量與建模。這一工作將為MassiveMIMO的天線選型、技術方案設計與標準方案制定提供方向性的指引，同時針對典型應用場景基于實測的信道參數建模也將為準確地構建技術方案評估體系，并準確地預測技術方案在實際應用環境中的性能表現提供了重要依據。

針對上述問題，3GPP R12中首先完成了針對6GHz以下頻段的3D化的信道及應用場景建模工作?；谏鲜隹蚣芗案哳l段信道的實測結果，R14中對6～100GHz頻段的信道和應用場景進行了建模。結合IMT-2020系統性能評估需求，ITU正在對相關模型進行進一步擴展和完善。

（2）面向異構和密集組網的Massive MIMO組網方案

為了應對業務需求的迅速發展，C/U分離、分布式前端/云計算、超蜂窩、網絡功能虛擬化等新型網絡構架隨之出現，而未來移動通信系統的接入網也逐漸向著異構化與密集化的方向發展。這種情況下，Massive MIMO技術方案的設計思路應當順應新型的網絡構架與組網方式的發展趨勢，并與之有機地融合在一起，這樣才能充分地體現出Massive MIMO技術的性能優勢。隨著天線規模的增大以及新型網絡構架和組網方式的出現，大規模天線的多用戶、多小區調度和協作技術方案將面臨更加復雜的部署場景、干擾環境以及更

為復雜的校準與能效優化問題。而天線規模的增加對調度、協作、校準以及回程鏈路的設計都提出了更為嚴苛的要求。這些都將是MassiveMIMO技術步入實用化和標準化過程中需要面對的重要問題。

（3）MassiveMIMO物理層關鍵技術

天線陣列規模的增大帶來了可利用空間自由度的大幅度提高，為支持更大的用戶數量與更高的頻譜利用率創造了有利的條件。然而，MIMO維度的大幅度擴展與用戶數量的激增也為相應的物理層技術方案設計提出了前所未有的挑戰。

●波束賦形技術：MassiveMIMO的性能增益主要是通過大規模陣列構成的多用戶信道間的準正交特性保證的。然而，在實際的信道條件中，由于設備與傳播環境中的諸多非理想因素的存在，為了獲得穩定的多用戶傳輸增益，仍然需要依賴下行發送與上行接收算法的設計來有效地抑制用戶間乃至小區間的同道干擾。而傳輸與檢測算法的計算復雜度則直接與天線陣列規模和用戶數相關。此外，基于大規模陣列的預編碼/波束賦形算法與陣列結構設計、設計成本、功率效率和系統性能都有直接的聯系。因此針對Massive MIMO的傳輸與檢測方案的計算復雜度與系統性能的平衡將是該技術進入實用化的首要問題。

●信道測量與反饋技術：由于信道狀態信息測量、反饋及參考信號設計技術對于MIMO技術的重要意義，這一領域歷來都是MIMO技術標準化討論的核心內容，針對這一問題的研究、評估驗證和標準化方案設計對于MassiveMIMO技術實用化發展都具有極其重要的意義。

●覆蓋增強技術以及高速移動解決方案：天線規模的擴展對于業務信道的覆蓋將帶來巨大的增益，但是對于需要對全小區內所有終端進行有效覆蓋的廣播信道而言，則會帶來諸多不利影響。除此之外，MassiveMIMO還需要考慮在高速移動場景下，如何提供信號的可靠的高速率傳的問題。在這種場景下，MassiveMIMO系統面臨的最大挑戰是信道信息的劇烈時變性。此時，對信道信息獲取依賴度較低的波束跟蹤和波束拓寬技術，可以有效利用MassiveMIMO的陣列增益提升數據傳輸可靠性和傳輸速率，值得我們進一步探索。

●多用戶調度與資源管理技術：MassiveMIMO為無線接入網絡提供了更精細的空間粒度以及更多的空間自由度，因此基于MassiveMIMO的多用戶調度技術、業務負載均衡技術以及資源管理技術將獲得可觀的性能增益。

（4）大規模有源陣列天線技術

MassiveMIMO前端系統從內部射頻通道結構上可分為數字陣和數?；旌详噧纱箢悺．斕炀€數很大時，采用傳統的全數字架構勢必帶來巨大的復雜度、功耗以及成本的上升。尤其在高頻段，混合的陣列架構將具有很大的應用潛力。天線子系統的設計方案對移動通信系統的構架、設備的尺寸、硬件成本以及網絡部署都會帶來影響。對于MIMO技術而言，更是要依賴于天線陣列所帶來的空間自由度，才能展現其性能優勢。隨著天線設計構架的演進，AAS技術的實用化發展已經對移動通信系統的底層設計及網絡結構設計思路帶來巨大影響，這一發展趨勢必將推動MIMO技術由傳統的針對2D空間的優化設計向著更高維度的空間擴展，并為MassiveMIMO技術的實際應用提供重要的技術基礎。大規模有源陣列天線的構架研究、高效、高可靠、小型化、低成本、模塊化收發組件設計、高精度檢測與校準方案設計等關鍵技術問題將直接影響到基于大規模天線的MassiveMIMO技術在實際應用環境中的性能與效能，并將成為直接關系到MassiveMIMO技術是否能夠最終進入實用化階段的關鍵環節。

在已經完成的3GPPR13版本中，3GPP已經定義了能夠支持最多16個端口的FD-MIMO方案。R14中則進一步將eFD-MIMO的端口數提升至32個，并支持非周期CSI-RS、上行DM-RS增強等新技術方案。上述FD/eFD-MIMO技術可以被認為是MassiveMIMO技術進入標準化的初級階段。在針對NR（NewRadio）的研究項目中，3GPP正在進一步研究多達256～1024個天線陣子的大規模天線系統。TDD系統對于大規模天線的實現具有先天優勢，在標準演進中一直是非常重要的技術方向。除了天線規模的擴大，NR將會從幀結構、導頻優化、反饋機制、波束管理波束掃描、靈活參數集合設計等方面持續擴展大規模天線技術方案的功能，以獲得頻譜效率和系統容量的有效提升?？梢灶A見，這一技術也將成為R15及其后續版本標準化過程的熱點。

3 大規模天線技術試驗

我國政府對于大規模天線技術的研究和推進工作非常重視，陸續設立了多項863和國家科技重大專項課題支持相關工作的展開。2013年成立的IMT-2020（5G）推進組中，專門設立了大規模天線技術專題組，負責組織企業和科研院所進行大規模天線關鍵技術研究、系統方案設計和推進工作。

在上述研究工作基礎之上，工信部制定了我國的5G技術研發試驗工作總體規劃，進一步將大規模天線技術等IMT-2020系統的重要支撐技術推向實用化發展道路。根據這一總體規劃，5G技術試驗工作將分兩步走：

第一步主要由中國信息通信研究院主導，運營企業、設備企業及科研機構共同參與，在2015—2018年期間會分3個階段開展工作：第一階段已在2016年9月基本完成，這一階段主要針對5G的重點關鍵技術，對大規模天線、新型多址、新型多載波、高頻段通信等7項無線關鍵技術及4項網絡關鍵技術進行了單點的樣機性能和功能驗證；第二階段將在2016年6月—2017年9月期間展開工作，這一階段將會融合多種關鍵技術，開展單基站性能測試；第三階段是2017年6月—2018年10月，這一階段將會對5G系統的組網技術性能進行測試，并且對5G典型業務進行演示。

2018 —2020 年間，在第一步技術研發工作基礎之上，第二步工作將是針對產業化需求，進行針對產品研發的試驗驗證。這一步將會由運營商來主導，最終將為5G系統的商用奠定基礎。

在上述計劃中，大規模天線是大唐在5G第一階段的測試中重點參與的無線技術。大唐測試采用的5G基站驗證平臺支持業界規模最大的256天線有源天線陣列，在3.5GHz頻段的100MHz帶寬上，支持20個數據流的并行傳輸，頻譜效率達到4GLTE系統的7～8倍以上。

3.1 5G基站驗證平臺

大唐參與本次測試的5G基站驗證平臺為傳統的宏基站分布式架構，即BBU+射頻拉遠單元的設備形態。其中，射頻單元AAU為128通道256天線有源天線陣列，射頻工作帶寬支持3.5G頻段200MHz，每通道發射功率1W，AAU整體發射功率128W，AAU如圖1所示。

128通道256天線的AAU樣機設計，可以在保證天線增益的同時，降低天線體積、功耗、成本，更利于后續大規模天線陣列的產業化和實用化。天線陣內部以8通道為基本單元，可靈活配置，易于支持雙極化和垂直分裂。大規模有源天線陣的通道數量、水平和垂直維度陣元數量設計的考慮了如下幾點原則：

（1）有源天線陣列中的陣元分布，以1+1雙極化振子為基本單位，采用水平方向8垂直方向16的數量分布。

（2）采用128通道/256天線，射頻通道的數量降低一半，可以大幅度降低有源天線的整體成本。

（3）一個射頻通道驅動在垂直方向兩個相同極化方向的陣元，考慮是不增加水平方向天線陣列的尺寸。因為一般天線是安裝于鐵塔或樓頂平臺，水平方向空間受限，實際工程安裝有困難。

（4）在垂直方向組陣，可以更好利用天線陣在垂直方向的增益，提高垂直方向的波束掃描能力和空分復用能力，發揮大規模天線的技術優勢。大規模天線陣元排列情況如圖2所示。

5G基站驗證平臺的基帶處理池BBU的一個機架由多個機框構成，每一個機框為一個完整的BBU處理基本單位。單框支持128天線40M的基帶處理能力，多框可靈活擴展聯合處理200M帶寬，BBU基帶處理池如圖3所示。

BBU基帶處理池包含網絡處理單元、天線處理單元和流處理單元。其中，網絡處理單元實現AP、RRC、PDCP、RLC等協議處理、系統同步和管理功能；流處理單元實現基站側MAC層調度和多用戶配對、物理層信道編碼、調制、預編碼、上行譯碼等處理功能。天線處理單元實現IFFT/FFT、信道估計、檢測與均衡、多用戶多流波束賦形等處理功能；基帶處理單元采用業界多核處理器、高性能DSP、大容量FPGA等主流器件。

3.2 大規模天線測試方案與測試結果

圖1 256天線AAU

圖2 大規模天線陣元排列圖

相對于傳統的八天線，大規模天線測試從驗證場景和技術方案上都提出了更高要求。為了更加全面地驗證大規模天線空口能力，需要在驗證場景中充分考慮水平維度和垂直維度的可測性和可觀測性，因此對于測試場地的選取需要兼顧水平角度、垂直高度、信號覆蓋、終端分布以及空間隔離等各方面因素，同時根據

5G大規模天線系統的設計原理，測試結果會對終端數量、分布密度和擺放位置有較強的相關性。

圖3 5G基站驗證平臺示意圖

5G第一階段測試中，大唐在3.5GHz頻段的100MHz信號帶寬上分別完成了實驗室環境和室外空

口環境的性能測試?；静捎枚鄼C框多板卡堆疊形式，通過多組光纖與室外AAU系統相連，AAU系統平臺可實現垂直距離手動升降，便于驗證觀察垂直維度信號覆蓋效果。垂直場景測試選擇天線正面面對的大樓建筑4層室外平臺作為立體覆蓋觀測點，使天線對樓前地面、樓側面地面覆蓋、樓上4層平臺形成完整3D覆蓋模型加以驗證。測試用例主要包括以下幾個方面的性能驗證：

（1）大規模天線覆蓋下終端的水平維度分布和垂直維度分布的性能驗證如圖4所示。在該測試用例中，多個終端都位于好點（SINR＞15dB），相鄰終端之間間距在2m以上，觀察該場景下大規模天線系統所能達到的峰值吞吐量。

圖4 水平分布與水平+垂直場景外場測試圖

（2）如圖5所示，對終端分散和密集分布的性能對比驗證。通過對比，觀察大規模天線系統在終端密集和分散分布時的性能差異。

圖5 密集分布場景外場測試圖

（3）對終端在小區中均勻分布情況下的性能驗證。按照測試規范要求，基于終端測量的SINR選擇好點、中點、差點3個位置區域，10部終端以3：4：3的比例分布放置，觀察此時所能達到的扇區內的系統平均吞吐量。

整個場景驗證測試的驗證數據與預期結果近似。在室外空口幾乎無外界無線電波干擾的情況下，單用戶雙流的峰值吞吐量為478Mbit/s。所有測試終端都位于信號覆蓋極好點且用戶間距離大于2m以上，10用戶全部水平分布和10用戶水平加垂直立體分布的兩種情況下，測試的總吞吐量都達到了4Gbit/s的結果。在用戶好中差均勻分布情況下，系統總吞吐量達到2.5Gbit/s。在10個用戶密集分布在20m范圍內的好點環境下，系統總吞吐量達到3Gbit/s的吞吐量，相比分散分布情況下結果有所降低，符合理論預期。

通過第一階段的大規模天線單點技術測試，驗證了大規模天線技術實現了多用戶空分復用和波束賦形技術，大幅提升系統頻譜效率和峰值吞吐量，取得了階段性成果，充分證明了大規模天線是5G最重要的技術之一。

4 后續工作展望

大規模天線技術為系統頻譜效率、用戶體驗、傳輸可靠性的提升提供了重要保證，同時也為異構化、密集化的網絡部署環境提供了靈活的干擾控制與協調手段。目前，MassiveMIMO理論研究為MIMO技術的進一步發展提供了有力支持，數據通信業務飛速發展則為推動MIMO技術的繼續演進提供了強大的內在需求，而相關實現技術的日漸成熟則為MassiveMIMO技術的標準化、產業化提供了必要的條件。隨著一系列關鍵技術的突破以及器件、天線等技術的進一步發展，設備發射功率、功放效率、設備體積重量等指標將持續提升以滿足大規模商用的需求。在上述基礎之上，MassiveMIMO技術必將在5G系統中發揮重大作用。

基于前期的技術研究積累，在工信部5G技術研發試驗的總體規劃下，大唐順利完成了工信部的5G技術研發試驗第一階段測試，并正在積極為二階段測試工作的開展進行準備。5G二階段測試是面向應用場景的系統性能驗證測試，其中在最重要的連續廣覆蓋場景中，大規模天線技術是被采用的最主要的關鍵技術手段，將結合新空口新編碼等技術來滿足系統頻譜效率、用戶峰值速率，系統峰值吞吐量、覆蓋距離等極限

性能指標。

上述工作的開展，將進一步有力推動大規模天線技術的標準化和實用化發展，并將為日后的產業化進程奠定良好基礎。

[1]3GPPTR 36.873.3D Channel Model for LTE.

[2]3GPP TR 38.900.Channel Model for Frequency Spectrum above 6 GHz.

[3]RP-160671.Study on New Radio Access Technology.NTT DOCOMO.

[4]3GPP TR 38.913.Study on Scenarios and Requirements for Next GenerationAccess Technologies.

Large scale antenna technology for IMT-2020

SU Xin,SUN Shaohui,KANG Shaoli,SUN Jinxi,CAI Yuemin

This article from the technical principle,the key technology research and the standardization development situation and so on aspect has carried on the overall summary to the large-scale antenna technology.On this basis, combined with the test work in the first phase the Ministry of research and development of 5G technology to carry out the test,the design scheme of large-scale antenna equipment and the 5G base station platform Datang Telecom Group focus on participation is discussed,test scheme of large-scale antenna technology and the test results are analyzed and explained.Finally,the future research and standard propulsion,equipment development and test verification of large-scale antenna technology are discussed in this paper.

IMT-2020;5G;MIMO;MIMO massive

2016-10-26）