面向5G增強的大規模天線技術

王映民 孫韶輝 康紹莉

【摘? 要】作為滿足5G三大典型場景技術需求的核心技術，大規模天線技術在5G增強版本中依舊發揮著至關重要的作用。在對大規模天線技術的標準和產業進展進行總結的基礎上，重點介紹分析了大規模天線技術面向5G增強的重點技術，包括高分辨信道狀態信息反饋、多TRP傳輸、波束管理、上下行信道互易增強等。最后，對大規模天線技術的未來發展進行了展望。

【關鍵詞】5G新空口（NR）;大規模天線;信道狀態信息;多TRP傳輸;波束管理;信道互易

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0015-06

[Abstract]?As the core technique to meet the technical requirements of three major scenarios in 5G， massive MIMO still plays an important role in 5G NR enhancement. The technical standards and industrial progress of massive MIMO are summarized， the key techniques in massive MIMO oriented to 5G NR enhancement are elaborated including high-definition CSI acquisition mechanism， multiple TRP transmission， beam management procedures and channel reciprocity enhancement. Finally， the future prospects of massive MIMO technique are discussed.

[Key words]5G NR; massive MIMO; channel state information; multi TRP; beam management; channel reciprocity

1? ?引言

5G新空口標準制定分為Rel-15和Rel-16兩個階段，其中Rel-15主要面向增強移動寬帶（eMBB）和低時延高可靠（uRLLC）需求設計，已于2017年12月完成了非獨立組網版本，2018年6月完成了獨立組網版本[1-5]。Rel-16在Rel-15已經形成的標準版本基礎上進一步增強，涵蓋了基礎能力的提升、增強移動寬帶能力的提升、物聯網業務擴展等多個方面。

大規模天線技術作為5G的核心關鍵技術，在滿足eMBB、uRLLC和mMTC（海量機器類通信）業務的技術需求中發揮著至關重要的作用。例如，針對eMBB場景，其主要技術指標為頻譜效率、峰值速率、能量效率、用戶體驗速率等，高階MU-MIMO傳輸可以獲得極高的頻譜效率，同時，隨著天線規模的增加，用戶間干擾和噪聲的影響都趨于消失，達到相同的覆蓋和吞吐量所需的發射功率也將降低，提升能量效率。此外，高頻段大帶寬是達到峰值速率的關鍵，大規模天線技術提供的賦形增益可以補償高頻段的路徑損耗，使得高頻段的移動通信應用部署成為可能。針對uRLLC場景，其主要技術指標為時延和可靠性，半開環MIMO傳輸方案通過分集增益的方式增強傳輸的可靠性。分布式的大規模天線或者多TRP傳輸技術，將數據分散到地理位置上分離的多個傳輸點上傳輸，可以進一步提升傳輸的可靠性。針對mMTC場景，其主要技術指標為連接數量和覆蓋，大規模天線技術的波束賦形增益有助于滿足mMTC場景的覆蓋指標，同時，高階MU-MIMO也有利于連接數量的大幅提升。

基于前期的積累，例如Rel-12階段開始的3D信道模型與場景研究，Rel-14階段完成的FD-MIMO技術標準化[6-7]，3GPP在Rel-15階段完成了大規模天線技術在NR第一個版本的標準化。在這個版本中，主要包括了大規模天線技術的傳輸方案、信道狀態信息反饋機制、參考信號設計以及波束管理的相關設計。面向Rel-16階段的NR第二個版本，大規模天線技術在增強移動寬帶能力的提升方面發揮著重要作用，業界討論的技術熱點包括高分辨率信道狀態信息（CSI）反饋、多TRP傳輸、增強的高頻支持、增強的上下行信道互易支持等等。本文將先對大規模天線技術的標準和產業進展進行總結，再重點分析大規模天線技術熱點，并對大規模天線技術的未來發展進行展望。

2? ?大規模天線技術標準和產業進展總結

2.1? Rel-15標準進展

3GPP在Rel-15階段針對大規模天線技術進行了多個方向的探討，具體包括：高頻段信道建模、同步信道設計、控制信道設計、波束管理技術、信道測量與反饋、多點協同傳輸（CoMP）等。

（1）高頻段信道建模

信道模型是系統設計性能評估的基礎。繼2015年開發三維空間信道模型（3D SCM）后，3GPP在2016年發起了關于NR信道建模的研究項目，涵蓋6 GHz～100 GHz的高頻段，最終形成技術標準

TS 38.900[8]。建立的高頻段信道模型涵蓋了室內辦公室、商場和市中心等典型的部署場景，包括了路徑損耗、天線去耦、LOS概率、空間一致性等多個參數，能夠有效地支撐大規模天線技術的評估。

（2）同步信道設計

同步信道是終端（UE）進行小區初始選擇、小區同步、小區搜索、上行接入以及小區切換的關鍵通道。針對NR的高頻段，同步信道需要使用大規模天線技術進行波束賦形，利用窄帶波束的增益實現足夠的覆蓋范圍。

依據用戶狀態的不同，同步信道的設計有所不同。對于連接態（RRC_CONNECTED），不同基站之間可以通過回程來共享其下行同步信道的波束賦形信息參數，包括波束數量、同步信號在時域/頻域的位置等，源小區可以將目標小區的同步信號參數信息通知本小區用戶，供其在小區切換過程中進行時頻同步獲取操作。而對于空閑態（RRC_IDLE），UE在下行同步之前沒有網絡的任何先驗信息，需要對所有可能的同步信道進行搜索。為了提高同步信道的覆蓋范圍，基站對同步信道進行波束賦形，形成多個窄帶波束，利用波束掃描實現小區內的全覆蓋，其主要挑戰在于如何支持不同的掃描方案、時域和頻域的波束掃描流程以及波束掃描下的下行同步信道設計。

（3）控制信道設計

和LTE系統相比，5G NR系統支持大帶寬，并且同一小區內用戶間的帶寬可能不同，UE的帶寬也可以與小區帶寬不同。根據控制信道的種類和應用場景，不同的MIMO發送方案具有不同的優勢和限制。

公共控制信道需要發送給小區內所有用戶，通常有2種MIMO發送方案。其一為寬波束方案，在一個單個的傳輸時頻單元內將控制信道發送給整個小區，實現對所有用戶的覆蓋;其二為窄波束方案，使用指向不同方向的窄波束在不同的時頻資源上掃描發送，此時UE需要監測不同時頻資源內不同波束對應的控制信道，檢測復雜度和時延有可能增加。

UE專用控制信道發送給處于連接狀態的特定UE，其MIMO發送方案與用戶移動速度有關。對于大多數移動速度較低的用戶，其在小區內的位置和相對基站的角度相對固定，通過一個窄波束進行控制信道的波束賦形可以獲得賦形增益，提高控制信令的覆蓋距離?？刂菩诺赖牟ㄊx形步驟和數據信道可以有相似的步驟。對于某些移動速度較高的UE，其在小區內的位置和相對基站的角度變化較快，難以通過一個窄波束精確進行控制信道的波束控制，可以通過發送分集或者開環傳輸方式，產生一個較寬波束提升控制信號的覆蓋魯棒性。

（4）信道測量與反饋

在天線數量持續增加的情況下，實現高精度的信道狀態信息（CSI）反饋，并保持較低的測量復雜度、反饋開銷、功率消耗和UE復雜度，是5G NR面臨的難題。

依據雙工方式的不同，信道測量與反饋的方式有所不同。對于FDD系統，由于信道互易性不存在或者只存在長期信道互易性，基于下行測量后的信道反饋仍然是主要的CSI獲取方案。需要考慮的關鍵因素有：CSI-RS端口數量、新空口CSI-RS設計、高端口反饋碼本設計和增強、高精度CSI反饋方案、顯式反饋等。5G NR Rel-15標準化了兩種類型的碼本，類型I和類型II碼本。類型I為常規精度碼本，用于支持單用戶MIMO和多用戶MIMO傳輸。類型II為高精度碼本，主要用于支持多用戶MIMO傳輸，提升系統頻譜效率。對于TDD系統，由于上下行信道互易，可以通過上行信道測量獲取下行信道信息?？紤]的關鍵因素有：如何使用少數上行發送天線獲取下行多數接收天線的信道、干擾測量增強、CQI計算增強等。

（5）多點協同傳輸（CoMP）

LTE系統從Rel-11開始支持下行多點協同傳輸，包括聯合發送（JP）、協同調度/賦形（CS/CB）以及動態點靜默（DPB/DPM）等不同的發送方案。在同一時間點，UE的數據可以由一個傳輸點（TRP）發送，也可以由多個TRP聯合發送，不同TRP的信道狀態信息由多個CSI進程實現反饋。

NR系統因天線規模的擴大，其波束變得更窄，從而能更精確地調整發送角度，也能進行更靈活的干擾消除，因此CoMP的應用會更加靈活、更加復雜。主要的技術方案有增強的CoMP發送方案。例如多點非相干聯合傳輸（NC-JT），UE在同一時間點接收多流數據傳輸，不同數據流從不同的TRP發送;高密度組網條件下，CSI反饋對更多發送點和更多干擾假設的支持。

2.2? 產業進展

伴隨著大規模天線技術的研究和標準推進，業界對支持大規模天線技術的基站樣機及產品進行了快速開發，并進行了技術試驗。以中國的5G技術試驗為例，在第一階段（2016年），各廠家開發了128元及以上的大規模天線陣列，其中大唐電信集團開發了業界最大規模的256元大規模天線系統，基于100 MHz帶寬能夠支持4 Gb/s的小區峰值速率。在第二階段（2017年），面向運營商的預商用驗證需求，各廠家開發了64通道192元的大規模天線陣列，其中大唐電信集團開發的基站產品支持200 MHz帶寬，在測試中能夠支持28流，獲得的單用戶峰值速率達到1.6 Gb/s，小區峰值速率超過10 Gb/s。自第三階段（2018年）開始，基于非獨立組網（NSA）和獨立組網（SA）系統，支持大規模天線技術的預商用和商用產品開始了系統級驗證，初步驗證表明，針對100 MHz帶寬256QAM調制方式，下行8個終端能支持16流達到6 Gb/s小區峰值速率，下行16個終端能支持32流達到10 Gb/s小區峰值速率。

3? ?增強大規模天線技術

多天線信息理論證明[9]，在無線通信鏈路的收、發兩端均使用多個天線，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。該理論為大規模天線技術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。業界探討的大規模天線技術的應用場景，包括集中式覆蓋、分布式覆蓋、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[10]。頻段直接決定了天線系統的尺寸，在需要廣域覆蓋的場景，大規模天線技術傾向于6 GHz以下的低頻段;在熱點覆蓋或回傳鏈路等場景中，大規模天線技術傾向于6 GHz以上的高頻段。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，且在高頻段中，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。因此，5G NR實現了對大規模天線基本功能的支持，在增強5G系統中將對大規模天線技術進行進一步的增強。下面重點介紹大規模天線技術面向5G增強的一些技術熱點，包括高分辨信道狀態信息反饋、多TRP/Panel傳輸、波束管理、增強的DL-UL信道互易支持等。

3.1? 高分辨信道狀態信息反饋

從網絡性能來看，類型II的CSI反饋是最能提升大規模天線性能的最具潛力手段。在5G NR中，支持采用L=2， 3， 4個波束進行線性合并，同時僅支持秩為1和2的碼本。和理想CSI反饋性能相比，5G NR支持的類型II碼本在性能上仍存在差距。同時，由于類型II碼本的反饋開銷巨大，在進行CSI上報時，也增加了系統設計的復雜度。

在增強5G系統中，一方面需要提升碼本性能，另一方面要降低反饋開銷。為了提升碼本性能，可以進一步增加用于線性合并的波束個數，如支持L>4，并采用差分上報的方式將反饋開銷分散于多次上報中。此外，需要進一步支持秩為3、4的碼本，此碼本可以應用于具有8接收天線以上的UE和網絡負載較輕的場景，提高吞吐量。為了降低反饋開銷，可以采用頻域壓縮方案壓縮子帶的碼本參數。頻域壓縮方案是指利用UE計算的CSI在不同子帶之間的相關性，通過一組頻域的正交基稀疏表達UE計算的CSI，UE對稀疏表達之后的系數進行量化反饋。取決于場景和信道條件，頻率壓縮之后系統可以節省多達60%的反饋開銷。圖1和圖2分別給出了不同的系數量化方案的性能評估結果，其中Alt1是指系數的幅度用3 bits量化，Alt2A是指系數的幅度用差分方式量化，Alt3是指系數的幅度分解為空域系數和頻域系數的Kronecker乘積并量化，系數的相位分別用2 bits和3 bits量化，α表示用3 bits量化的系數相位的比例。仿真環境中的基站為128天線，終端為2天線，其他具體的仿真條件見表1。圖1和圖2中，縱坐標“relative performance”給出的是采用壓縮方案的性能與未壓縮方案的性能的比值，橫坐標“overhead （bit）”給出的是壓縮方案的反饋開銷，而未壓縮方案的反饋開銷是455 bits。從評估結果可以看出，壓縮方案極大地降低了反饋開銷，但是對性能的影響基本可以忽略。

3.2? 多TRP傳輸

針對多TRP傳輸，5G NR中未能顯示支持NC-JT方案的標準化，在5G增強系統中需繼續進行研究和標準化。為了增強多TRP傳輸，需要進一步增加協作的TRP個數，如擴展至2個以上。同時，可以結合多種應用場景進行傳輸方案的設計，如需要考慮相干/非相干傳輸、上行和下行協作、室內場景和室外場景、聯合傳輸（JT）/協作波束賦形（CB）/傳輸點選擇（DPS）等。

在5G增強系統中，需要圍繞多TRP的傳輸方案和CSI上報方式進行設計。在CSI上報方式設計方面，波束上報和CSI反饋均需要考慮增強。在傳輸方案方面，可以采用2級控制信令的方式支持非相干JT，另外對于控制信道的多TRP傳輸也可以開展研究。針對多TRP傳輸，碼字到層的映射關系需要重新考慮。5G NR系統中，1～4個數據流的傳輸都使用單個碼字進行。在多TRP傳輸場景中，不同TRP到UE的信道質量會有比較大的差異，如果強制他們映射到同一個碼字，會極大地降低系統的傳輸能力。因此，在5G增強系統中需要研究1～4個數據流分散到多個碼字中進行傳輸的方案。圖3和圖4分別給出了在不同的系統資源占用率（RU=40%或者RU=60%）條件下，單碼字傳輸和多碼字傳輸的多TRP方案相對于單點傳輸的性能增益。圖中single CW和double CWs分別指單碼字傳輸和多碼字傳輸，具體的仿真條件如表2所示。從圖3和圖4的仿真結果可以看出，雙碼字傳輸相對于多碼字傳輸有顯著的性能增益。

3.3? 波束管理

5G NR對上行波束管理進行了初步討論。所謂上行波束管理，即UE給基站提供信息（如SRS）來協助基站進行波束管理。在5G增強系統中，需要進一步增強波束管理的性能，針對更高頻段（>52.6 GHz）場景進行優化。然而，隨著頻率升高，傳輸方案以及上行、下行波束管理與5G NR會存在如下方面的不同：

（1）單載波波形相較于OFDM的優勢更加明顯。單載波波形可以有效地降低信號的峰均比，相同性能的高頻射頻前端器件（如PA）可以發射更高功率的單載波信號，可能對于高頻射頻前端器件的要求有所降低。

（2）從頻譜角度分析，100 GHz以內大于52.6 GHz頻段存在著大量潛在可用的連續頻譜，比如57 GHz～71 GHz（其中64 GHz～71 GHz為非授權頻譜）、71 GHz～76 GHz、81 GHz～86 GHz等，這使得采用比5G NR更大系統帶寬成為可能?；诖耍赡懿捎酶雍唵蔚哪M波束賦形架構單流或低階傳輸，而不必采用模擬-數字混合波束賦形架構進行多流傳輸，就可以滿足ITU對于5G峰值速率的要求。

（3）上行波束管理，在不同的UE天線結構前提下，如全向天線面板和多個定向天線面板。

3.4? 增強的DL-UL信道互易支持

若系統滿足上下行信道互易性，則可以使用SRS獲取下行CSI，或者采用CSI-RS獲取上行CSI。5G NR中初步支持了對于滿足上下行信道互易性時的CSI計算。在5G增強系統中，可以針對信道互易性成立時的傳輸及反饋方案進行增強。傳輸方案的增強可以研究部分信道互易性條件下的傳輸方案。此外，上下行波束互易成立所要求的信道互易性的精度也需要研究并驗證。反饋方案的增強可以考慮干擾反饋方式設計，同時，進一步研究基于SRS和CSI-RS的上下行CSI聯合獲取方案，包括下行信令的設計、聯合觸發上下行參考信號等。

4? ?結束語

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，大規模天線理論研究為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大規模MIMO技術的標準化、產業化提供了必要的條件。

隨著通信頻段向更高頻段的擴展，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，可以預期，未來的通信系統能支持的天線數目會越來越大，具有的通信能力也會越來越高。因此，需要進一步做好大規模天線技術的演進研究，包括大規模多天線與協作傳輸理論與技術研究、大規模新型天線與射頻理論與技術研究、大規模多天線測試理論與方法研究等。

參考文獻：

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