Pre5G Massive MIMO技術的研究

董帝烺

（中國聯合網絡通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

Pre5G Massive MIMO技術的研究

董帝烺

（中國聯合網絡通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

介紹了Pre5G Massive MIMO所采用的大規模陣列天線、參考信號、傳輸模式、波束賦形和預處理等技術原理，對泉州Massive MIMO項目研究的MU-MIMO、波束賦形、移動性和切換等技術進行探討。

5G技術4G化 Massive MIMO 參考信號 TM9 波束賦形 預編碼

1 引言

隨著移動寬帶化的發展，高速率業務需求逐步增加，如VR/AR和高清視頻等對無線網絡速率的需求越來越高，同時移動用戶在日常生活中對數據業務的需求越來越多，4G網絡的流量呈指數級增長。5G網絡技術也在加速發展，現階段，將5G一些已經成熟的技術應用到目前的4G網絡，可以進一步提升4G網絡的性能，更好地提升用戶感知。

把5G核心技術4G化，簡稱Pre5G，這是目前4G技術演進的一個趨勢，其中，Massive MIMO技術是關鍵的一項技術。由于無線資源的逐漸受限，空間增益的追求更趨重要，為此演進發展了Massive MIMO概念，即大規模MIMO，它是利用大規模陣列天線，實現更精確的波束賦形，更高流數的復用及MU-MIMO等，為網絡容量提升和用戶網絡體驗的改善提供了更加有效的技術手段。

Massive MIMO的系統制式可以分為TDD系統和FDD系統，TDD系統由于上下行信道本身的互易性優勢，實現起來較為容易，技術產品也較為成熟且已進入商用。FDD Massive MIMO技術受限于信道測量，需要更加復雜的信道估計和預編碼，目前還處于研究階段，還未投入商用。

2 Massive MIMO的技術原理

通信技術一直受限于香農定理，直到MIMO出現，它跳出了點對點單用戶的條框，將單一點對點信道變換成多個并行信道來進行處理，以至于頻譜效率主要取決于并行信道數量，從而提升了系統容量和頻譜效率。MIMO是指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號在相同的頻率下同時傳送。

2.1 大規模陣列天線

Massive MIMO是傳統MIMO技術的擴展和延伸，通過基站側利用大規模天線陣列（陣子數高達128或以上）形成多發多收的系統，達到32T32R，通過增加天線數增加系統的容量，并利用不同用戶間信道的近似正交性降低用戶間干擾，實現多用戶空分復用。

Massive MIMO相比傳統LTE系統，支持更高階MU-MIMO，支持遠超過8個用戶同時傳輸數據，有更高、更遠、更深的覆蓋，且較大的陣列增益能提高發射功率的效率，降低基站能耗，實現綠色通信的最終目的。Massive MIMO適合于開闊空間覆蓋，包括宏覆蓋和中小面積熱點區域覆蓋。

2.2 參考信號和傳輸模式

為了支持最高達8層的空分復用，R10版本新增加了CSI-RS和DMRS這兩種下行參考信號，同時新增加了一種新的傳輸模式TM9。終端基于CSI-RS信號進行測量，基于DMRS信號進行解調，從而實現了導頻測量與解調功能的分離。傳輸模式TM9實現了SU-MIMO和MU-MIMO兩種模式的統一。

（1）CSI-RS參考信號

R10版本之前的終端通過測量CRS（Cell-specific Reference Signal，小區專用參考信號）信號獲得下行信道的狀態信息，CRS信號最多只支持4層的空分復用。為了支持最多8層的空分復用，REL-10引入了CSI-RS信號，其目的是獲得下行信道的CSI（Channel State Information，信道狀態信息），以便實現與多天線傳輸相關的基于信道的調度、鏈路自適應以及傳輸模式的設置，CSI-RS信號對應天線端口15到22。

在時域，CSI-RS信號可以配置不同的周期，根據3GPP協議，CSI-RS周期可以為5 ms、10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。通過設置不同的子幀偏置，CSI-RS信號可以配置在任何一個子幀上，但是為了避免CSI-RS信號與系統消息、同步信號、尋呼消息發生碰撞，包含上述內容的子幀不建議配置為CSI-RS子幀。由于REL-8/9終端不能識別CSI-RS信號，也不建議在CSIRS子幀上調度REL-8/9終端。在頻率域，CSI-RS信號在配置為CSI-RS子幀的整個帶寬上進行傳輸。

適合于FDD和TDD幀格式的CSI-RS參考信號結構如圖1所示。

圖1 CSI-RS映射圖譜

（2）DMRS參考信號

DMRS（Demodulation Reference Signal，解調參考信號）用于對某個特定的終端進行解調。對于REL-8版本，只有單端口的DM-RS信號，對應傳輸模式5；對于REL-9版本，有雙端口的DM-RS信號，對應傳輸模式8。對于REL-10版本，最多可以有8端口的DM-RS信號，對應傳輸模式9。DM-RS信號與分配給某個終端的PDSCH同時傳輸。DM-RS信號的結構如圖2所示。

（3）傳輸模式TM9

為了支持最多8層的空分復用，R10中新增了傳輸模式9。傳輸模式9可以支持1個SU-MIMO用戶，該用戶最多有8層PDSCH數據傳輸，或者最多支持4個MUMIMO用戶，每個用戶只有1層PDSCH數據傳輸，或者最多支持2個MU-MIMO用戶，每個用戶有2層PDSCH數據傳輸。

針對傳輸模式9，REL-10新增了PDCCH格式2C，該格式新增了層數、參考序列擾碼以及天線端口配置等信息，以支持基于DMRS信號的MU-MIMO。

2.3 波束賦形和預處理

波束賦形是指大規模多天線系統可以控制每一個天線單元的發射（或接收）信號的相位和信號幅度，產生具有指向性的波束，消除來自四面八方的干擾，增強波束方向的信號，它可以補償無線傳播損耗。3D Beamforming是指在三維空間（水平和垂直空間）形成傳輸信號的分離波束。

波束賦型是基于智能天線的原理，利用來波方向DOA來估計方向。如圖3所示，均勻線陣是由N個陣元等間距d排列成一條直線而組成。假設均勻平面波入射，d是陣元間距，不同陣元相對于參考點存在接收信號的路程差。陣元N相對于參考點陣元1產生的路程差是：(N-1)×d×sinθ，因此，相位差可以表示為：(N-1)×2πd×sinθ/λ，均勻線陣的導向矢量表達式為：

圖3 來波方向計算示意圖

預編碼是使用預編碼矩陣將層映射到天線端口的過程。預編碼矩陣是R×P的矩陣，其中R為傳輸秩，即使用的傳輸層數，P為天線端口的個數。LTE支持2種方式進行下行天線預編碼：基于碼本的預編碼和基于非碼本的預編碼。碼本是有限的可用預編碼矩陣的集合。UE只能從碼本中選擇合適的預編碼矩陣（PMI）進行上報；而對于基于碼本的預編碼，eNodeB只能從碼本中選擇合適的預編碼矩陣，并通過DCI告訴UE對應的下行PDSCH傳輸所使用的預編碼矩陣。

在FDD Massive MIMO的實現中，基站向UE發送DMRS、CSI-RS參考信號，UE根據參考信號的解調和測量，將CSI反饋給基站，CSI包括寬帶CQI、PMI。基站利用上行SRS的DOA估計再結合PMI的反饋，進行UE的波束賦形。

由于TDD系統上下行使用同一頻段，可以單邊地基于上行信道狀況估計下行信道，即利用上下行信道的互易性來推斷基站到終端的下行鏈路。而對于FDD系統，多了大量CSI反饋，隨著天線數量的增加，不但開銷增大，且反饋信息的準確性和及時性也存在降低的可能。因此，Massive MIMO在FDD上更難部署。TDD和FDD的對比如圖4所示。

3 Massive MIMO目前的研究進展

從2016年年底開始，中國聯通網絡技術研究院、福建聯通聯合中興通訊在泉州進行Massive MIMO技術的實驗和研究。

圖4 TDD和FDD的對比

3.1 容量提升

對于FDD系統Massive MIMO，當前主要考慮采用基于TM9的傳輸模式。在TM9模式下，下行需要增加UE專用解調參考信號DMRS和信道狀態信息參考信號CSI-RS，因此也增加了信道的開銷，使得在1 ms調度的TB size最多只有63 776 bit，在雙流的情況下單用戶最高的峰值速率只能127.55 Mb/s。

在研究測試配置中，CSI-RS配置天線端口數為4個，使用天線端口port15-18，周期TCSI-RS為5 ms，ΔCSI-RS指定了每個UE對應的CSI-RS在其5 ms周期內的第2個子幀發送。

在華僑大學楊思椿基站的現網測試中，單UE速率在120 Mb/s左右，通過DU METER測速軟件可以清楚地看到當前這個UE的速率。根據后臺統計小區總吞吐率，整體平均474 Mb/s左右，如圖5所示，頻譜效率達到普通LTE小區150 Mb/s速率的3倍以上。

圖5 華大楊思椿站點的小區吞吐率（kb/s）

3.2 Beamforming增益

Massive MIMO采用波束賦形技術，將發射功率集中在窄波束上，以提升覆蓋性能。在現場測試中，分別在近、中、遠點，單用戶對比測試FDD Massive MIMO功能關閉和開啟下的RSSI值，兩者之間的差值即為Beamforming的增益值。通過對Massive MIMO小區的近、中、遠點波束賦形效果進行驗證測試，獲得了平均6 dB～8 dB的增益，可有效提升Massive MIMO系統的覆蓋水平，具體如表1所示。

3.3 移動性能

FDD Massive MIMO在實現過程中，對信道的測量和估計非常重要，當UE處于移動過程中，信道的測量和估計顯得更加復雜。并且，由于Massive MIMO是通過多個不相關用戶進行MU MIMO的匹配，在移動過程中，當其中2個用戶過近就會破壞MU MIMO的匹配。

表1 Beamforming增益

UE4在向UE3方向的移動過程中，離開該波束法線時，該UE空分效果變差，性能開始下降，達到波束切換點時，性能最低，發生波束切換后，速率回升并與所在波束的UE頻分共享該波束下100個RB資源。理想情況下兩個UE分別為50 Mb/s+，共計100 Mb/s+，實際情況由于無線信號復雜性可能有較大波動。

切換前小區總的速率450 Mb/s，切換過程中下降到300 Mb/s，基本穩定。

移動過程中，小區吞吐率平均在280 Mb/s左右。圖6是后臺統計出的各UE和小區總吞吐量的時序圖。

3.4 切換性能

切換是移動通信一項非常關鍵的功能，是無線資源管理的重要部分，目前的研究顯示，FDD Massive MIMO可以與同頻、異頻的普通LTE小區進行切換。

UE從FDD Massive MIMO小區PCI 51成功切換到同頻LTE小區278（頻點信息1650），切換后UE的TM模式從TM9更改為TM3。Massive MIMO同頻切換普通小區信令圖如圖7所示。

UE從LTE小區PCI 278（頻點信息400）成功切換到異頻FDD Massive MIMO小區PCI 51（頻點信息1650），UE的TM模式從TM3切換到TM9。普通小區異頻切換Massive MIMO信令圖如圖8所示。

圖6 Massive MIMO移動性測試各UE速率變化圖

4 結束語

通過Massive MIMO試驗研究結果來看，該技術在不增加頻率、站址等資源的情況下，僅通過天線數的增加，就能提升3倍的網絡容量，對4.5G/5G時代移動寬帶業務爆發式容量需求能夠發揮重要作用。當前Massive MIMO面臨著設備成熟度、終端支持能力、成本、部署難度等方面的挑戰，但隨著設備廠家產品的逐步成熟及現網終端支持程度的提升，以及后續Massive MIMO與載波聚合、下行256QAM、上行64QAM等組合使用所帶來的卓越性能，使其具備全面提升熱點區域容量和業務體驗的能力，Massive MIMO必將在未來發揮巨大的作用。

圖7 Massive MIMO同頻切換普通小區信令圖

圖8 普通小區異頻切換Massive MIMO信令圖

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Research on Pre5G Massive MIMO Technique

DONG Dilang
（China Unicom Fujian Branch, Quanzhou 362000, China）

The technical principles of large-scale array antenna, reference signal, transmission mode, beam forming and precoding adopted by Pre5G Massive MIMO were introduced. The techniques of MU-MIMO, beam forming,mobility and handoff of the Massive MIMO project in Quanzhou were discussed.

Pre5G Massive MIMO CSI-RS TM9 beam forming precoding

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.013

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0074-06

董帝烺. Pre5G Massive MIMO技術的研究[J]. 移動通信, 2017,41(20)： 74-79.

2017-07-24

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

董帝烺：高級工程師，畢業于廈門大學通信工程專業，現任職于中國聯合網絡通信有限公司福建省分公司運維部泉州片區優化中心，主要從事GSM、WCDMA、LTE的網絡優化相關工作，進行移動網無線新技術的研究。