面向5G新空口的碼本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化研究

劉慧 趙奕晨 江甲沫 趙楠德

【摘? 要】R15階段，5G新空口碼本設(shè)計(jì)基本延用R13、R14的碼本設(shè)計(jì)思路，但為了滿足多種傳輸場景，R15的碼本設(shè)計(jì)更為精細(xì)，同時(shí)引入了多天線陣面碼本、混合波束賦形等新特性，為后續(xù)碼本技術(shù)增強(qiáng)做好了準(zhǔn)備。根據(jù)目前標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，總結(jié)了R15階段5G新空口碼本技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容，討論了R16階段碼本增強(qiáng)技術(shù)，最后給出了各種碼本方案優(yōu)缺點(diǎn)的對比及應(yīng)用分析。

【關(guān)鍵詞】5G;碼本設(shè)計(jì);MIMO

中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0002-06

[Abstract]?In the stage of Rel-15 version， the codebook design in 5G New Radio （NR） basically inherits the codebook design idea in Rel-13 and Rel-14. However， in order to meet the multiple types of transmission scenarios， more fine codebook design introduces multi-antenna array codebook and hybrid beamforming to enhance the subsequent codebook technique. Based on current standardization progress， the standardization contents of 5G NR codebook design in Rel-15 version are summarized in this paper， and the codebook enhancement in Rel-16 version is discussed. Finally， the comparison of advantages and disadvantages of different codebook schemes， as well as the application analysis are presented.

[Key words] 5G; codebook design; MIMO

1? ?引言

LTE階段引入多天線技術(shù)大幅提升系統(tǒng)吞吐量，最開始的R8版本Householder碼本最大支持4天線發(fā)送。LTE-Advanced階段將天線擴(kuò)展到最大支持8天線發(fā)送，R10版本開始采用基于DFT（Discrete Fourier Transform）波束的碼本[1]，一直沿用至今。在這過程中，R13版本將二維碼本擴(kuò)展至三維碼本能夠更好地應(yīng)用在二維天線陣列中，支持的端口數(shù)和層數(shù)也在不斷增加，到R14版本已經(jīng)能夠支持最大32端口，最多8層數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送。

面向5G新空口，隨著載波頻率的升高，天線數(shù)進(jìn)一步增加，空間信道的復(fù)雜性和多樣性也進(jìn)一步提高，之前的碼本方案已經(jīng)逐漸不能滿足5G的性能需求。因此，R15版本以R14碼本設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)完成了5G新空口的大規(guī)模MIMO技術(shù)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化版本的碼本設(shè)計(jì)[2]。

盡管R15版本提出的Type II碼本能夠有效提升用戶平均吞吐量（至少30%），但CSI反饋開銷太大，且與理想信道狀態(tài)反饋性能還是存在很大差異，尤其是對多用戶MIMO場景。所以，R16階段開啟了對碼本增強(qiáng)技術(shù)的研究[3]，第三節(jié)詳細(xì)介紹了碼本增強(qiáng)技術(shù)目前的候選技術(shù)及討論進(jìn)展。第四節(jié)對本文所涉及的碼本技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和對比分析，并討論了在不同應(yīng)用場景中各碼本的優(yōu)缺點(diǎn)。

2? ?R15碼本設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容

用戶設(shè)備通過測量基站發(fā)送的導(dǎo)頻信息（CSI-RS）得出信道狀態(tài)信息（CSI），然后準(zhǔn)確地把信道狀態(tài)信息反饋給基站，對MIMO系統(tǒng)性能起到至關(guān)重要的作用。因此，碼本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度以及對應(yīng)的反饋預(yù)編碼標(biāo)識（PMI， Precoding Matrix Indicator）對碼本的還原度和反饋開銷大小都會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。由于5G場景對數(shù)據(jù)傳輸速率要求更加嚴(yán)格，5G新空口R15版本定義了兩種類型的碼本：常規(guī)精度碼本（Type I碼本）和高精度碼本（Type II碼本）。5G還引入了多天線陣面，為了適配陣面之間靈活的部署方式，設(shè)計(jì)了多天線陣面碼本。此外，5G還支持類似于LTE的Class A反饋、Class B反饋及混合反饋方式，因此還設(shè)計(jì)了支持賦形CSI-RS傳輸方案的端口選擇碼本[4]。

2.1? Type I單天線陣面碼本

Type I碼本延用了LTE的碼本設(shè)計(jì)原理采用W=W1*W2的兩級碼本結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)目的不僅要滿足鏈路性能需求，還要考慮碼本設(shè)計(jì)的反饋開銷，因此基于波束選擇設(shè)計(jì)了碼本。W1根據(jù)信道的長期寬帶空間特性選擇寬帶波束組，W2根據(jù)信道的短期子帶特性選擇波束并量化兩極化方向之間的相位差以實(shí)現(xiàn)極化方向之間的同相位合并。碼本生成過程如圖1所示。

（1）波束集合

首先，空域第一維正交基由N1個(gè)長度為N1的DFT波束構(gòu)成，乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q1）進(jìn)行O1倍過采樣細(xì)化波束粒度。同樣，第二維正交基由N2個(gè)長度為N2的DFT波束構(gòu)成，乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q2）進(jìn)行O2倍過采樣。N1和N2分別為水平維和垂直維天線端口數(shù)，O1和O2分別為水平和垂直維過采樣率，如公式（1）和公式（2）所示：

兩維DFT波束分別通過克羅內(nèi)克積相乘，如公式（3）所示，得到空域波束集合，包含N1O1N2O2個(gè)波束。

（2）選擇寬帶波束組

用戶設(shè)備通過測量信道信息從空域波束集合中選擇寬帶波束組生成碼本W(wǎng)1。W1基于塊對角線結(jié)構(gòu)，每個(gè)對角塊B表示一個(gè)極化方向的波束組，不同極化方向的天線陣列使用相同的波束組，即從N1O1N2O2個(gè)波束中選出L個(gè)DFT波束，L可配置為1或4。L=4時(shí)選擇相鄰波束，一維天線選擇四個(gè)相鄰的波束，如圖2（a）所示，二維天線選擇第一維度的兩個(gè)相鄰波束和第二維度的兩個(gè)相鄰波束克羅內(nèi)克積形成的波束，如圖2（b）所示。

（3）波束選擇和相位差量化

用戶設(shè)備生成，其中P用于選擇波束（L=4），被選波束對應(yīng)位置為1，其余元素為0，φ用于量化兩極化方向之間的相位差，采用2NP-PSK量化，NP∈{1， 2， 3， 4}，碼本如公式（5）所示：

2.2? Type I多天線陣面碼本

Type I單天線陣面碼本設(shè)計(jì)均假設(shè)天線均勻分布，而多天線陣面的部署往往與實(shí)際場景相關(guān)，陣面可能非均勻分布，單天線陣面碼本使用的DFT波束不能準(zhǔn)確匹配非均勻分布天線陣列的信道響應(yīng)。因此，基于Type I單天線陣面碼本構(gòu)造了Type I多天線陣面碼本，通過在單天線陣面碼本之間引入陣面間相位調(diào)整因子而得到，如公式（6）所示：

其中，對角塊B與L=1時(shí)的Type I單天線陣面碼本相同，Ng表示天線陣面?zhèn)€數(shù)，支持2個(gè)或4個(gè)陣面，φi表示陣面間相位調(diào)整因子，采用2NP-PSK量化，NP=2。

2.3? Type II單天線陣面碼本

Type II碼本是高精度碼本，利用波束組合原理設(shè)計(jì)碼本[5]。LTE階段，采用L=2個(gè)正交波束作為基向量進(jìn)行合并，不同極化方向的合成系數(shù)相同。5G新空口Type II碼本擴(kuò)展了用于合并的正交波束個(gè)數(shù)，且不同極化方向獨(dú)立進(jìn)行波束合并，碼本靈活性和精度均比Type I有所提高，但是反饋開銷也顯著增加，因此只支持Rank=1或2（并行數(shù)據(jù)流數(shù)量）的傳輸情況。受標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間限制，R15版本只定義了Type II單天線陣面碼本，而多天線陣面碼本沒有進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，碼本生成過程如圖3所示：

（1）選擇波束正交基

Type II也是基于W=W1*W2的兩級碼本結(jié)構(gòu)，其空間波束集合與Type I相同。由于Type II是利用正交波束合并生成碼本，用戶設(shè)備通過測量信道信息從空域波束集合中選擇波束正交基，即從O1O2組DFT波束正交基中選出一組，不同層和極化方向使用同一組正交基。一維天線選擇的正交波束圖樣如圖4（a）所示，二維天線選擇的正交波束圖樣如圖4（b）所示。

（2）選擇寬帶波束組

從選出的波束正交基中選擇寬帶波束組用于生成塊對角矩陣B=[b0…bL-1]， L∈{2， 3， 4}，不同層和極化方向使用同一組寬帶波束。

（3）寬帶系數(shù)幅度量化

每層獨(dú)立進(jìn)行寬帶系數(shù)幅度量化求量化系數(shù)PWB，假設(shè)寬帶信道特征向量為VWB，寬帶波束組合系數(shù)矩陣為，，即求最佳解，使得VWB=W1 *。由于W1是正交基，滿足酉矩陣性質(zhì)inv（W1）=W1H，因此=inv（W1）*W1*=W1H*VWB。對按照最強(qiáng)波束系數(shù)做幅度歸一量化即可得到寬帶幅度量化系數(shù)PWB=diag（[p0WB…pWB2L-1]）。量化采用3比特量化，取值范圍為，其中最強(qiáng)波束寬帶幅度系數(shù)為1。

（4）子帶系數(shù)幅度和相位量化

同寬帶幅度量化方法一樣，用子帶信道特征向量VSB和W1計(jì)算得到子帶波束組合系數(shù)矩陣，按照寬帶最強(qiáng)波束做幅度歸一量化和相位差量化，得到子帶幅度量化系數(shù)PSB=diag（[p0SB…pSB 2L-1]）和子帶相位量化系數(shù)C=[c0， …，c2L-1]T。子帶系數(shù)幅度量化為可選項(xiàng)，如果選擇量化，采用1比特量化，取值范圍為。相位量化采用2NP-PSK量化，NP∈{2， 3}，其中最強(qiáng)波束子帶幅度系數(shù)為1，相位系數(shù)為1。

2.4? 端口選擇碼本

端口選擇碼本用于賦形CSI-RS傳輸方案，主要用于混合反饋方式[6]。每個(gè)CSI-RS端口采用不同的波束進(jìn)行賦形，所用的波束可以通過Type I或Type II碼本反饋或者基于信道互易性獲得。用戶設(shè)備從賦形CSI-RS估計(jì)出賦形后的每個(gè)數(shù)據(jù)流的等效信道，每個(gè)數(shù)據(jù)流對應(yīng)一個(gè)賦形波束。端口選擇碼本通過W1實(shí)現(xiàn)端口/波束選擇，選擇波束個(gè)數(shù)可配置為L∈{2， 3， 4}，對于選擇的L個(gè)端口采用Type II單天線陣面碼本相同的幅度和相位系數(shù)計(jì)算方法生成W2對L個(gè)波束進(jìn)行線性合并。

3? ?Type II增強(qiáng)碼本標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

由于Type II高精度碼本反饋開銷太大，所以R15版本Type II僅支持Rank=1或2的情況。標(biāo)準(zhǔn)定義多用戶MIMO Rank最大支持12層，如果使用R15版本Type II碼本至少需要配對6個(gè)用戶才能充分利用MIMO信道容量。而實(shí)際業(yè)務(wù)大多符合FTP業(yè)務(wù)模型，基站很難同時(shí)配對到這么多用戶將性能增益最大化[7]。因此，R16階段從兩方面考慮增強(qiáng)Type II碼本能力，一方面進(jìn)一步壓縮反饋開銷，另一方面擴(kuò)展Type II碼本支持Rank 3或4。

3.1? Type II頻域壓縮

R15碼本設(shè)計(jì)期間，不同子帶信道之間存在確定的相關(guān)性，即子帶系數(shù)組成的空頻系數(shù)矩陣每一行在頻域上都存在一些相關(guān)性。因此，R16中對空頻矩陣進(jìn)行頻域壓縮來進(jìn)一步降低反饋開銷，備選方案包括：基于DFT/DCT基向量線性組合方案、頻域參數(shù)化方案、空頻矩陣SVD分解壓縮方案等。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化討論目前已確定基于DFT向量的頻域壓縮方案[8]，其基本原理與空域壓縮類似，基本過程如下：

（1）頻域DFT向量集合

頻域正交基由N3個(gè)長度為N3的DFT向量組成，N3=NSB*R， R∈{1， 2}。當(dāng)NSB*R>13時(shí)，是否需要進(jìn)行分段壓縮目前還在討論中。乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q3）進(jìn)行O3倍過采樣得到頻域DFT向量集合，其中：