5G大規模MIMO增強技術及發展趨勢

焦慧穎 劉鵬

【摘? 要】大規模MIMO技術是5G的關鍵技術之一，其原理是當基站天線數量遠遠大于終端天線數量的時候，基站到各個用戶之間的干擾趨于消失，為更好地應用大規模MIMO技術提升系統容量和用戶頻譜效率，3GPP對相關技術進行了標準化。首先介紹了3GPP在Rel 15階段對大規模波束賦形的傳輸方案和波束管理等關鍵技術的標準化情況，然后重點分析描述了Rel 16階段大規模MIMO的增強技術，包括多點（TRP）/多面板（panel）發送以及多波束發送等關鍵技術，未來大規模MIMO的發展趨勢將根據實際應用部署對相關的技術做進一步增強。

【關鍵詞】 大規模天線陣列;多點/多面板發送;多波束發送

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.007? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0032-05

引用格式：焦慧穎，劉鵬. 5G大規模MIMO增強技術及發展趨勢[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 32-36.

The Enhanced Technology and Development Trend of Massive MIMO in 5G

JIAO Huiying1， LIU Peng2

（1.China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China;

2.China Ship Research and Development Academy， Beijing 100101， China）

[Abstract]

Massive MIMO technology is one of the key technologies of 5G， and the principle is that the interference among multiple UEs tends to disappear when the antenna number of the base station is much larger than terminal. In order to better apply massive MIMO technology to improve system capacity and user spectral efficiency， 3GPP has standardized the related technologies. This paper first introduces the standardization of massive beamforming transmission solutions and beam management technologies in 3GPP Rel 15. Then the key enhanced massive MIMO technologies in 3GPP Rel 16 are emphatically described and analyzed including multiple TRP/panel and multiple beams. The development trend of massive MIMO would further enhance the relevant technologies according to the real deployment.

[Key words] massive antennas; multiple TRP/multiple panel transmission; multiple beam transmission

0? ?引言

第五代移動通信系統中的小區越來越密集，其對業務和容量的需求越來越高，在基站端采用超大規模天線陣列（比如數百個天線或更多）可以滿足用戶對高速發展的數據流量的需求。

3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大規模MIMO的特性，推動了基站在高低頻段大規模天線技術的應用。由于引入了一些新的部署場景，如多面板陣列，高頻段混合波束賦形等，因此5G NR相比于4G LTE引入了新的特性，包括支持多點/多面板操作，靈活的信道狀態信息（CSI）獲取和波束管理，支持32端口的低分辨率Type I碼本和高分辨率的Type II碼本以及靈活導頻（尤其是CSI-RS、DM RS和SRS）的發送。

5G NR MIMO相比LTE MIMO有以下幾方面的區別：

（1）高分辨率的Type II碼本能夠提供比LTE多30%的用戶平均吞吐量的增益。

（2）靈活的CSI獲取和導頻設計可用于未來標準化版本的增強擴展。

（3）NR MIMO通過波束管理可工作在大于6 GHz的高頻段。

總體來說，3GPP Rel 15 NR MIMO特性提供了充足的基礎，以便在Rel 16 NR階段做進一步的增強，3GPP Rel 16的標準化內容包括以下幾個方面[1]：

（1）支持多用戶MIMO的增強。基于Type II CSI反饋定義降低開銷的方法，定義rank大于2的Type II CSI反饋的擴展。

（2）增強多TRP/多面板傳輸，包括增強理想和非理想回傳的可靠性和魯棒性。定義下行控制信令增強用于有效支持非相干聯合傳輸，研究必要的上行控制信令和參考信號的增強用于非相干聯合傳輸以及低時延高可靠（URLLC）需求的多TRP技術。

（3）多波束增強，主要目標是高頻段的增強。研究定義對Rel 15的上下行發送波束選擇增強來降低時延和開銷，定義DL/UL和DL only的輔小區的波束失敗恢復以及定義L1-RSRQ或者L1-SINR的測量和上報。

（4）研究降低PAPR的CSI-RS和DM RS的增強。

大規模天線陣列的站點之間協作傳輸或者一個站點下的大規模天線陣列的多面板協作傳輸，稱為多點/多面板發送，Rel 16標準化的多點發送支持兩個點的協作發送，而多波束增強，主要定義了輔小區的波束失敗恢復以及測量和上報的相關內容。本文著重介紹了3GPP Rel 16的多點/多面板發送和多波束發送的技術和標準化，并且分析了大規模MIMO未來的標準化發展方向。

1? ?多點/多面板發送

多點/多面板發送可分成獨立下行控制信令調度多點/多面板的數據，以及聯合下行控制信令調度多點/多面板的數據。當多點發送之間是非理想回傳的時候，多個發送點分別發送下行控制信令調度下行數據，當多點發送之間是理想回傳的時候，可以用一個聯合下行控制信令調度多點的數據。其中獨立下行控制信令調度多點/多面板的數據，標準中根據終端能力，將每個“PDCCH-config”配置下的控制資源集合（CORESETs）的最大數目擴展到5，每個CORESET對應一個新引入的高層信令CORESETPoolIndex，上行PUCCH的HARQ-ACK反饋可以是分開反饋和聯合反饋。聯合下行控制信令調度多點/多面板的數據，標準定義了DM RS的設置，以及多點聯合發送的低時延高可靠發送。

1.1? 多個下行控制信道調度多點/多面板發送

圖1給出了兩個發送點分別有下行控制信道調度相應的下行數據的示意圖，RRC信令配置dataScram-blingIdentityPDSCH標識對不同的PDSCH進行不同的序列加擾，該標識和每個CORESET的高層信令CORESETPoolIndex關聯。

（1）對接收的PDSCHs分別進行HARQ-ACK反饋

對于接收的PDSCHs分別進行HARQ-ACK反饋的時候，一個時隙內PUCCH采用時分復用的方式來反饋兩個發送點數據對應的HARQ-ACK反饋，UE通過不同的高層信令系數來識別不同發送點所生成的HARQ-ACK，同時支持Type I HARQ-ACK 碼本和Type II HARQ-ACK碼本。

（2）對接收的PDSCHs進行聯合HARQ-ACK反饋

對于接收的PDSCHs在一個時隙內聯合反饋HARQ-ACK的情況，如圖2所示[3]，因為終端會在一個下行控制信道發送時刻接收用于多個發送點的PDCCHs，用于對應PUCCH資源映射的最后一個下行控制信令（DCI）的確定方法，首先是在相同PDCCH監聽時刻和相同服務小區情況下，對應不同CORESET的高層系數進行升序排列，然后在相同PDCCHs監聽時刻，服務小區進行升序排列，最后PDCCH監聽時刻升序排列，也就是時隙數值最大，服務小區系數最大的最高CORESET Index對應的DCI。

多點發送的聯合HARQ-ACK反饋，計數DAI（Counter DAI）是跨兩個發送點（也就是不同數值的CORESETPoolIndex）來聯合計數的[4]，并且總體DAI（Total DAI）應該是在一個PDCCH監聽時刻跨服務小區和跨發送點總體計數的。如圖3所示，這種方法避免了由于下行控制信令錯誤檢測帶來的HARQ-ACK碼本大小的模糊問題，舉例來說，如圖3中所示，如果沒有檢測到DCI#3，因為DAI是跨多個TRP聯合計數的，終端可以基于DCI#2'中的Counter DCI來識別該DCI沒有檢測到。而且由于聯合HARQ-ACK反饋用于理想回傳的情況，多個TRP可以聯合協作，因此聯合計數DAI是可行的。

（3）多點/多面板發送的PDSCH和HARQ反饋

如圖4所示，3GPP Rel 15中單個發送點調度PDSCH和HARQ反饋有限制[3]，對于任何HARQ進程IDs，終端不會接收和另一個PDSCH發送時間重疊的PDSCH。但是引入Rel 16多點/面板支持部分重疊甚至是全部重疊的PDSCHs，這個限制就要進行更新。

3GPP Rel 16標準規定，當多個下行控制信令調度兩個發送點上行/下行數據時候，也就是CORSET和不同CORESETPoolIndex的數值關聯的時候，允許以下操作：

1）PDCCH調度PDSCH/PUSCH。對于任何一個被調度小區的兩個HARQ進程IDs，如果UE被調度開始接收第一個PDSCH起始于符號j，結束于符號i，終端可以通過和比符號i晚的不同CORESETPoolIndex相關的PDCCH調度接收比第一個PDSCH/PUSCH結束的早的PDSCH。

2）PDSCH的HARQ-ACK反饋。在給定調度的小區中，終端在時隙i接收第一個PDSCH，相應的HARQ-ACK分配在時隙j進行發送，來自不同CORESETPoolIndex相關的比第一PDSCH起始發送晚的第二PDSCH，其相應的HARQ-ACK可以在時隙j之前進行HARQ-ACK分配。

多DCI調度的多點傳輸，如果配置了CORESET-PoolIndex，接收的PDCCH和相應的PDSCH的時間偏置小于門限值，終端假設PDSCH的DM RS端口和相同CORESETPoolIndex配置的最低CORESET Index的PDCCH的RSs是QCL的。

1.2? 單個下行控制信道調度多點發送

如圖5所示，當多個發送點是理想回傳，以及多面板發送的時候，可以用單個下行控制信道同時調度多個點的數據。

（1）DM RS端口指示

支持單個下行控制信道調度多個小區數據的DM RS端口指示，天線端口信令指示范圍大小和Rel 15相同，通過天線端口指示至少支持來自兩個發送點以下的layer組合{1+1， 1+2， 2+1， 2+2}。當下行控制信令的一個TCI code point指示了2個TCI狀態的時候，如果指示的DM RS端口來自兩個CDM組，第一個TCI狀態應用于第一個指示的CDM組，第二個TCI狀態應用于第二個指示的CDM組。

（2）基于多TRP的URLLC業務傳輸機制

隨著大規模天線技術的引入，基站大規模天線的多個面板可以同時傳輸，同時多個基站也可以同時發送，稱為多TRP/多面板傳輸技術。利用多TRP/多面板使用多個波束發送相同數據可以提升可靠性，用于低時延高可靠性業務的調度。其中多面板低時延高可靠調度的主要可行機制包括空分復用（SDM）、頻分復用（FDM）和時分復用（TDM）機制。其中空分復用機制（SDM）的方法指的是一個時隙內的時間和頻率資源是重疊的，每組DM RS端口和多面板的一個波束關聯，不同的編碼比特映射到不同的數據流上。頻分復用的機制有兩種，一種是來自多個發送點的相同冗余版本（RV）的不同的編碼比特映射到不同組的RBs上，類似于多個發送點之間的頻率切換發送分集，但是分集增益受限;第二種方式是來自多個發送點的不同RV在不同編碼比特映射到不同組RBs上發送，獲得更高的可靠性，頻率復用相比空分復用，由于沒有多個發送點間的干擾，會有相對較好的性能。時分復用機制包括時隙內的時分重復和時隙間的時分重復兩種機制，多個發送點的不同編碼比特對應不同的時間資源分配，所有的發送時刻均使用統一的MCS，RV/TCI state在發送時刻是相同或者是不同的。時分復用方式是時間域和空間域重復的組合，可以用在可靠性和資源利用率需求更高的場景。對于時隙內的時分復用，基站用下行控制信道指示第一個發送時刻的位置，第二個發送時刻是第一個發送時刻的K個發送符號的偏置，并且長度和第一個發送時刻相同，并且時隙內時分復用中具體發送時刻的數量取決于下行控制信道中波束狀態的指示數量。

1.3? 不同傳輸機制的信令指示方法

為指示不同的傳輸機制，盡量重用已有的信令設計以節省開銷。首先利用已有下行控制信令中的TCI states指示可以實現多個發送點和單個發送點的動態切換，另外，由于空分復用（SDM）是多個數據流復用，因此已有下行控制信令的參數CDM組參數為2，以此來確定是空分復用傳輸機制，利用已有的URLLC指示中的重復數量參數URLLCRepNum來確定TDM4，其余的傳輸機制的確定是通過3GPP Rel 16新定義的半靜態信令來指示區分兩種頻分復用機制和時分復用機制。

2? ? 多波束增強

支持RRC信令配置最多64個候選波束用于波束失敗恢復，新波束指示和L1 RSRP測量是UE能力信令的一部分。

新波束識別的下行導頻基于SSB和CSI-RS用于波束管理，新波束識別的下行導頻在激活BWP上發送，新波束識別的門限基于L1-RSRP。

支持基站配置終端上報最多N個SSBRI/CRI以及每個波束上報時刻對應的L1-SINR，N是RRC信令可配置的。

在波束失敗恢復請求流程期間，終端為每個輔小區只上報一個波束系數。輔小區的波束失敗恢復請求流程中，步驟1是類似于調度請求（SR）的上行控制信道（PUCCH）資源用于上報波束失敗，步驟2用MAC CE上報候選波束以及對應的L1-SINR。如果輔小區波束失敗，并且沒有L1-RSRP高于輔小區波束失敗恢復門限的新波束，終端上報沒有識別出輔小區的新波束。

3? ?大規模MIMO的發展方向

3GPP Rel 16 NR對Rel 15進行了增強，包括引入基于DFT壓縮的增強Type II碼本，支持eMBB下行數據的多點發送，增強多波束操作包括降低不同重配置下的開銷和時延降低，輔小區波束失敗恢復和L1-SINR，另外低PAPR參考信號和特性可以實現上行全功率發送。

關于未來大規模天線的發展方向，因為5G NR正值商業化進程，根據實際的部署場景要對不同的方面實現進一步增強，這些方面包括以下部分[2]：第一，考慮到高速車輛的場景（例如UE在高速功率上移動），進一步降低時延和開銷，以及降低波束失敗事件的發生概率;第二，Rel 16雖然研究了多個面板的上行波束選擇的增強，提供了一些潛在用于提升上行覆蓋的方案，但沒有足夠的時間來完成標準化工作;第三，除了下行數據信道有多個發送點的好處以外，還可以包含上行密集部署在宏小區或者異構網絡部署場景中小區間的多點發送;第四，進一步增強上行導頻SRS提升容量和覆蓋;第五，在Rel 16增強的Type II CSI的基礎上，進一步增強低頻FDD部署下的多發送點/多面板的CSI設計以及更好地使用信道統計的角度和時延的部分互易性用于聯合傳輸。

4? ? 結束語

大規模天線技術是5G的關鍵技術之一，3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大規模MIMO的特性，推動了基站在高低頻段大規模天線技術的應用。Rel 16在此基礎上做了增強，主要的關鍵技術有多點/多面板發送以及多波束的增強技術，多點/多面板發送的數據可以由多個下行控制信道分別調度，或者單個下行控制信道聯合調度，多波束增強技術標準化的主要內容為輔小區的波束失敗恢復流程以及波束上報增強。未來3GPP Rel 17將針對實際的部署場景對大規模天線技術作進一步的增強，包括高速移動場景的優化，多個面板的波束選擇，上行密集部署場景下的多點發送和上行覆蓋增強以及FDD系統的部分信道互易性的標準化內容。

參考文獻：

[1]? ? Samsung. RP-192271 Revised WID： Enhancements on MIMO for NR RAN#85[Z]. 2019.

[2]? ? ?Samsung. RP-193133 New WID： Further enhancements on MIMO for NR RAN#86[Z]. 2019.

[3]? ? ? Huawei， HiSilicon. R1-1911902 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.

[4]? ? NTT DOCOMO. R1-1912893 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.

[5]? ?3GPP. 3GPP TS 38.213 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for control[S]. 2019.

[6]? ? 3GPP. 3GPP TS 38.214 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for data[S]. 2019.★

作者簡介

焦慧穎（orcid.org/0000-0001-5054-9294）：正高級工程師，博士，現任職于中國信息通信研究院，長期從事3GPP物理層關鍵技術研究和標準化工作。

劉鵬：研究員，博士，現任職于中國艦船研究院，長期從事系統設計工作。