MIMO 技術3GPP 標準演進*

張會麗

（重慶信息通信研究院,重慶 401336）

0 引言

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技術指在發射端和接收端分別使用多個發射天線和接收天線，使信號通過發射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質量。MIMO包含多個層面的關鍵技術分支，比如分集技術、空間復用技術、預編碼技術、波束管理技術、多用戶MIMO 技術，通過采用不同技術可提升通信容量，提高頻譜利用率。作為LTE/5G 網絡的關鍵技術，MIMO 的標準演進路線一直備受關注。

1 R11[1-3] MIMO

歷經三個版本R8－R10 的演進，LTE 中的MIMO 技術日漸完善，其SU 與MU-MIMO 方案都已經得到了較為充分的優化，MIMO 方案研究與標準化過程中制定的導頻、測量與反饋機制也已經為CoMP 等技術的引入提供了良好的基礎。

LTE-A R11[1-3]將下行MIMO 增強的目標鎖定在CSI 反饋增強、控制信道增強以及COMP 三方面進行規范定義。

1.1 新增傳輸模式TM10 和新增下行控制信令DCI 2D[2]

為支持多小區協作通信技術，改善小區邊緣用戶的通信質量，提升系統的吞吐量，LTE-A R11新增一種傳輸模式TM10。LTE-A R11 設計了專用于TM 10 傳輸模式的控制信道格式DCI 2D，攜帶了資源分配、PUCCH 功率控制、調制編碼方式、PDSCH 資源位置、HARQ 進程數、SRS 請求等消息。

1.2 控制信道增強（引入ePDCCH）[3]

為了充分利用多天線技術帶來的頻譜效率提升效果，并且保證良好的覆蓋性能，LTE-A R11 版本中引入了增強的下行控制信道設計。增強下行控制信號ePDCCH 在原始數據信道的位置發送，與數據信道頻分復用，以獲得波束賦形和分集增益。而且更細的顆粒度、更靈活的資源劃分，也更易于實現小區間控制信道的干擾協調。

1.3 COMP

R11 在R10 的基礎上引入CoMP 技術，通過同小區不同扇區間協調調度或多個扇區協同傳輸提高系統吞吐量，特別是小區邊緣用戶的吞吐量。LTE-A R11 中主要聚焦下行CoMP 技術。

CoMP 技術是對傳統單基站MIMO 的補充和擴展，標準中規范定義了3 種實現方式：“協調調度/波束賦形”和“動態傳輸點選擇”方式是用于同一個基站下不同扇區間的CoMP 操作的。這兩種方式在同一時刻只有一個接入點與用戶進行通信，其中協調調度是指系統側根據干擾等信息在多個接入點間實現聯合調度；而動態傳輸點選擇是系統在不同時刻為終端選擇不同的傳輸點發送數據。LTE-A R11 中支持下行協調調度/波束賦形和動態傳輸點選擇。“聯合傳輸”方式則是單個用戶數據通過多個協作基站并行傳輸，基站間通過共享數據及信道回饋信息、調度信息等，聯合為目標用戶提供服務。由于FDD 系統中聯合傳輸所需的信令設計復雜，LTE-A FDD 系統不支持聯合傳輸技術，而TD-LTE/TD-LTE-A系統可利用信道互易性實現聯合傳輸技術。

2 R12[4-6] MIMO

R12 進一步優化了多天線技術，包括下行4 天線傳輸技術增強，小區間多點協作技術增強，并研究了二維多天線的傳播信道模型，為后續垂直波束賦形和全維MIMO 傳輸技術研究做了準備。

2.1 CoMP 增強

R12 支持不同基站間的協調調度/波束賦形，在基站間非理想回傳鏈路上傳輸有限的調度信息、資源分配信息和回傳鏈路時延等信息，實現基站間的多點協作傳輸。

2.2 垂直波束賦形（FD-MIMO）技術

隨著有源天線技術商業成熟度的提升，垂直維數字端口的開放與天線規模的進一步擴大逐漸成為可能，3GPP 從R12 階段開始針對3D 信道與場景模型問題進行研究。早在LTE-A R11 版本中，對有源天線形態下的3D 波束賦形技術已經進行了初步討論，并在R11 的RAN4 工作組中開展了基于有源天線的基站RF 的EMC 研究項目。3D 波束賦形通過終端專用的天線下傾聚焦可有效地提升接收信號的信噪比，旨在減少小區內和小區間的干擾。但在LTE-A R11 標準中并未進行規范定義，而是在LTE-A R12 中進行初步規范和定義。利用有源天線，基站天線波束的下傾角可以自適應調整，在水平維波束賦形的基礎上，垂直維也可以形成波束賦形，成為垂直波束賦形/FD-MIMO。該技術有利于在密集的城市環境中實現對不同樓層的室內覆蓋，更好地實現小區內和小區間干擾協調，以支持高階的多用戶MIMO。

R12 對3D-MIMO 的信道建模進行了研究，形成了完整的3D-MIMO 信道模型。R13 主要研究小于64 端口的FD-MIMO 傳輸技術。

3 R13[7-9] MIMO

3GPP R13 開始引入FD-MIMO 的標準化研究，并引入CSI-RS 增強、SRS 容量等新功能。R13 研究中將FD-MIMO 的反饋增強分為3 類：基于非預編碼的CSI-RS 方法、基于波束賦形的CSI-RS 方法、基于非預編碼的CSI-RS 和波束賦形的CSI-RS 相混合的方法。下行支持16 發射天線端口與8 接收天線端口，支持水平方向和垂直方向的波束賦形；上行支持4 發射天線端口和4 接收天線端口，且上下行均支持MU-MIMO。

4 R14[10-12] MIMO

R13 中FD-MIMO 存在天線端口數量較少、CSI 反饋機制受限等缺陷，進而3GPP Rel-14 提出eFD-MIMO，其下行支持32 發射天線端口，并引入CSI 報告增強機制，允許UE 支持非碼本CSI-RS、波束賦型CSI-RS 反饋和波束賦型CSI-RS 的混合使用。

5 R15[13-18] MIMO

大規模多天線技術進入標準化高速發展階段，面臨諸多更加嚴苛的技術指標需求，大規模多天線技術被認為是未來蜂窩移動通信系統中非常重要的一項關鍵技術。R15 版本中大規模MIMO 下行最大支持16 流，上行支持8 流，相比傳統2 流系統提升頻率效率近8 倍。大規模MIMO 天線產品支持192 陣子排列，最大64 通道。R15 版本主要從以下幾方面進行增強設計。

5.1 CSI 反饋設計

MU-MIMO 系統的性能依賴于CSI 的獲取精度以及預編碼與調度算法的優化程度，因此CSI 的獲取是大規模多天線系統設計的關鍵問題。R8～R14中定義了多種反饋模式以支持不同MIMO 傳輸方案的CSI 反饋，這種設計導致了傳輸方案以及CSI 反饋的分散和復雜化。為避免引入多種反饋模式和子模式，R15 設計了統一的CSI 反饋架構，即通過將CSI 測量和CSI 反饋方式進行解耦，將測量資源和測量操作與具體上報操作分離，以更加靈活的方式支持不同的MIMO 傳輸方案在多種場景和多種頻段的應用。NR R15 系統定義了兩種類型的CSI 反饋方式，即常規精度和高精度方式。其中常規精度主要針對SU-MIMO 或MU-MIMO，而高精度方式主要針對MU-MIMO 傳輸的增強。R15 的高精度碼本采用線性合并方式構建預編碼矩陣，能夠顯著提升CSI 精度，進而極大改善MU-MIMO 的傳輸性能。

5.2 靈活的系統設計

（1）靈活可配置的CSI-RS 導頻設計：R15 對已有的CSI-RS 功能進一步進行擴展，除支持CSI測量外，還支持波束測量、無限資源管理/無線鏈路監視測量、時頻跟蹤等。

（2）引入PT-RS 參考信號：毫米波頻段的相位噪聲會對數據解調產生嚴重的影響，因此R15系統中專門設計了相位噪聲跟蹤參考信號（Phase Tracking Reference Signal，PT-RS），用于估計相鄰PFDM 符號之間相位噪聲引起的相位變化。

（3）前置DM-RS 設計：為了降低解碼實驗，R15 DM-RS 被放置在盡量靠前的位置，即放在一個時隙的第3 或第4 個PFDM 符號上，或者放置在所調度的PDSCH/PUSCH 數據區域的第一個OFDM 符號上。在此基礎上，為支持各種不同的移動速率，可以再配置1 個、2 個或3 個附加的DM-RS 符號。下行采用了趨于一致的設計。

5.3 R15 引入波束管理

作為LTE 和5G 系統關鍵技術的MIMO 傳輸技術，可利用有源天線陣列技術形成大規模多天線陣列，提升系統傳輸性能。在R14 之前的版本被稱為FD-MIMO 的大規模多天線技術主要應用于3GHz 以下的低頻段傳輸，采用全數字波束賦形技術，即每個天線端口的射頻鏈路都連接著獨立的基帶數字鏈路，最大可支持32 天線端口的波束賦形。

隨著低頻段頻譜資源變得稀缺，毫米波頻段能夠提供更大帶寬，成為5G 系統應用的重要頻段。采用大規模的毫米波天線陣列，形成增益更大的賦形波束，克服傳播損耗，確保系統覆蓋。毫米波天線陣列尺寸有限，綜合考慮硬件復雜度、成本開銷以及功耗等因素，通常采用模擬波束與數字端口相結合的混合波束賦形。混合波束賦形結構在數字波束賦形靈活性和模擬波束賦形的低復雜度間做了平衡，具有支撐多個數據流和多個UE同時賦形的能力。通過模擬波束賦形技術開展鏈路傳輸時，為了能夠獲得最佳的傳輸性能，通常需要采用發送/接收波束掃描的測量方式來搜索最佳的發送和接收波束對。

由于模擬波束在同一時間內只能發送有限個賦形波束（波束數量取決于數字端口的數量，一個數字端口對應一個波束），并且波束寬度較窄，通常只能覆蓋小區的一部分區域。為了實現整個小區的信號覆蓋，需要采用時域內多個波束聯合掃描的傳輸方式，即在一個時間段內通過輪詢的方式，每個波束依次接力覆蓋小區不同區域來實現小區的完整覆蓋。對于基站與UE 間的單播傳輸，當基站與UE間的發送和接收波束對齊的時候，可以獲得最大的鏈路增益。讓基站與UE 的收發波束對齊的過程，在R15 標準中被稱為波束管理過程。

波束管理過程分為6 個方面的處理過程：波束掃描、波束選擇、波束測量、波束上報、波束切換、波束指示、波束恢復。波束掃描是通過掃描一個角度扇區內的模擬波束來覆蓋扇區。波束選擇是指在單播的控制或數據傳輸過程中，基站和UE 需要選擇合適的波束方向，以確保最佳的鏈路傳輸質量。波束測量是指當無線鏈路建立以后，UE 和基站對多個收發波束進行測量的過程。波束上報是指UE將波束測量結果上報給基站的過程。波束切換是指當UE 位置移動、方向變化以及傳播路線受到遮擋，配對的收發波束對的傳輸質量下降時，基站和UE可以選擇另外一對質量更好的收發波束對，并進行波束切換操作。基站利用波束指示流程，通過下行控制信令將所發送的波束指示通知UE，便于UE 的接收與切換。波束恢復則是指所采用的收發波束對無法繼續保證傳輸質量要求，所監測的所有收發波束傳輸質量無法滿足鏈路傳輸要求的情況下，重新建立基站與UE 間的連接的過程。

6 結語

本文介紹了從R11 版本至R15 版本的MIMO的技術標準演進路線，并從參考信號設計、MIMO反饋模式、MIMO 傳輸模式等方面進行了詳細闡述。面向5G NR（New Radio）系統，大規模MIMO 將采用相對于LTE 而言更多的天線數量和更窄的波束，如何充分挖掘大規模MIMO 的潛在技術優勢，是5G 大規模MIMO 的重要研究方向，其主要研究內容大致包括：應用場景與信道建模、信道狀態信息測量與反饋、參考信號設計、波束管理等。