Massive MIMO小區基于負荷的傳輸模式自適應技術研究

1 引言

在LTE系統中，協議定義了TM1到TM9共9種傳輸模式（Transmission Mode，簡稱為TM模式），用于標志UE PDSCH的搜索空間。傳輸模式即UE的PDSCH的傳輸方案[1]。

傳輸模式通過高層信令在PDCCH信道下發，由系統半靜態配置。傳輸模式通過RRC信令下發給UE，每種傳輸模式有對應的DCI格式，UE根據傳輸模式和DCI格式就可以確定PDSCH使用的傳輸方案[2]（Transmission Scheme）。

不同的多天線傳輸方案對應不同的傳輸模式。到標準協議Rel-10為止，LTE支持9種TM模式。它們的區別在于天線映射的不同特殊結構，以及解調時所使用的不同參考信號（小區特定的參考信號或UE特定的參考信號），以及所依賴的不同CSI反饋類型[3]。

① TM 1：單天線端口傳輸（使用port 0），應用于單天線傳輸的場合。

② TM 2：發射分集模式，適用于小區邊緣信道情況比較復雜，干擾較大的情況，也可用于UE高速移動的情況。使用2或4天線端口。發射分集是默認的多天線傳輸模式，它通過在不同的天線上發送相同的數據實現數據冗余，從而提高SINR，使得傳輸更加可靠。

③ TM 3：大延遲分集的開環空分復用，適合UE高速移動的場景；使用2或4天線端口。

④ TM 4：閉環空間復用，適合信道條件較好的場合，用于提供較高的數據傳輸速率；使用2或4個天線端口。

⑤ TM 5：MU-MIMO傳輸模式，主要用來提高小區的容量；使用2或4天線端口。TM 5是TM 4的MUMIMO版本。

⑥ TM 6：Rank 1的傳輸，主要適用于小區邊緣的情況，使用2或4天線端口。

⑦ TM 7：單流波束賦形，主要適用于小區邊緣的UE，能夠有效對抗干擾，只使用port 5。

⑧ TM 8：雙流波束賦形，可用于小區邊緣的UE，也可用于其它場景。使用port 7和port 8，每個port對應一個UE特定的參考信號，這2個參考信號通過2個正交的OCC（orthogonal cover code）區分。在空分復用下，這2個OCC和對應的參考信號被用于這2層的傳輸[4]。

⑨ TM 9：支持最多8層的傳輸，主要是為了提高數據傳輸速率。使用port 7～14。

5G系統中普遍采用TDD MIMO（Multiple-input Multipleoutput，多入多出技術），它最大優勢MU-BF（Multi-user Beamforming，多用戶配對波束賦形）是指允許多個UE在同一個時頻資源上配對，為每個UE傳輸1或2流數據，同時傳輸最多24流數據。其中，這些配對用戶要處于BF傳輸模式下才能進行配對。對于非天選用戶，TM7傳輸模式進行配對；對于天選用戶，TM8傳輸模式下，每個UE最多支持2流參與配對。eNodeB根據配對條件決定配對UE以及每個UE發送的下行數據流數，然后根據迫零準則為對應的下行數據流生成正交權值[5]。5G基站gNodeB利用這些正交權值分別對每個下行數據流的數據符號與DMRS符號進行加權，經過加權的符號合并后從eNodeB天線端口發送出去，實現在同一個時頻資源上傳輸多個下行數據流，從而提高下行頻譜效率。因此 MIMO（以下簡稱MM）容量性能的發揮依賴于Beamforming（以下簡稱BF）用戶的比例，以及BF用戶在模式下的性能。

2 基于負荷的傳輸模式自適應技術原理

2.1 基于負荷的傳輸模式自適應技術原理

傳輸模式即gNodeB和UE之間的PDSCH的傳輸方案。傳輸模式信息通過RRC信令下發給UE，UE根據傳輸模式信息確定PDSCH使用的傳輸方案。如表1所示為不同傳輸模式之間的傳輸方案對比。

表1 不同傳輸模式之間的傳輸方案對比[6]

正常情況下，UE傳輸模式隨信道質量條件的變化選擇最優頻譜效率的模式進行數據傳輸，如圖1所示。

圖1 不同SINR下UE傳輸模式對應頻譜效率對比

如圖2所示為TM7模式自適應調整流程。當MM小區負荷達到一定程度之后，讓小區內所有用戶強制切換進BF模式，提升MUBF配對概率，提升MM小區整體容量和用戶體驗速率。

圖2 TM7模式自適應調整流程

2.2 重載切換BF模式算法流程

在MM小區，當用戶數較多的重載場景，為了獲取更高的小區空間復用層數（MUBF），需要考慮讓更多的用戶進入BF模式，重載場景UE優先切換到TM7模式，從而提升下行頻譜效率和用戶下行體驗速率[7]。如圖3所示為重載切換BF模式算法流程。

（1）開啟重載TMA增強算法開關，實時監控小區的用戶數和負荷狀態。

（2）重載場景判斷

當小區待調度用戶數大于設置的門限時，gNodeB會將UE的傳輸模式從TM2、TM3或TM9wPMI切換到TM7，以獲得更優的配對增益，從而提升小區吞吐量。可配對多層的場景下，用戶數門限設置的越低，UE越容易按TM7進行MU-BF配對。

圖3 重載切換BF模式算法流程

當小區待調度用戶數到達設置的門限且開啟雙流天選用戶MU-BF時，gNodeB允許天選用戶的傳輸模式從TM2、TM3或TM9wPMI切換到TM8，以獲得雙流配對增益，從而提升小區吞吐量。

（3）統計重載場景下小區級TMA和目標BF模式下的小區整體歷史頻譜效率，如果進入BF模式進行配對的頻譜效率更高，那么就執行傳輸模式強制切換功能。

（4）自動選擇使小區整體頻譜效率最優的傳輸模式，執行終端傳輸模式切換命令。

2.3 傳輸模式自適應協同特性

① 入網傳輸模式優化

開啟TMA后，由于TM2切換到TM7需要時間，可能導致TM2 UE比例較高，最終導致下行配對層數偏低。為此可以把UE入網時的傳輸模式更改為TM7提升。

② 切換用戶BF模式門限優化

同頻切換用戶的源和目標小區的PCI Mod 3相同且開啟了BF模式的場景下，提升切換用戶進入BF模式的概率，提升下行吞吐率。

在明清之際女詩人走出閨門、個性張揚的潮流下，商景蘭將畢生精力與才華堅守于閨閣之內，在視野狹深的閨閣題材中拓展了時空維度，融入了對精神家園的追尋與個體意義的深度思索，使其詩不論從思想內蘊還是藝術技巧上都較當時活躍在詩壇上的年輕一代詩媛更為成熟，成為女詩人家族中開拓深化閨閣詩境的翹楚。商景蘭的創作成就足以體現明清易代對于女性文學影響之深遠，不管作者主動或者被動地改變創作的基調。畢竟面對這場空前的家國之變，女性已無法置身事外。

③ 4收和8收終端傳輸模式自適應優化

優化4收終端在256QAM調制方式下的TM3 Rank2和TM9四流的切換門限。本優化生效時，對于4收終端，在上述偏置的基礎上再額外增加一個偏置，使得4收終端相較于8收終端更難從TM3 Rank2切換到TM9閉環Rank3～Rank8[8]。

在假天選識別開關打開時，優化非天選4收終端和8收終端的TM3 Rank2和雙流BF的切換門限。識別出真天選終端和假天選終端。本優化生效時，對于非天選(包括假天選)并且4收或8收終端，在上述偏置的基礎上再額外增加一個偏置(64QAM和256QAM下的偏置不同)，使得這類終端更容易進入BF雙流。對于Massive MIMO小區，如果識別出是假的4收天選終端和8收天選終端，那么盡量讓這些終端更容易進入TM7進行MUBF配對。

3 基于負荷的傳輸模式自適應技術增益影響分析

3.1 增益影響分析

當同時滿足以下要求時，建議開通重載UE切換到TM7優化功能。否則，開通該功能后無增益。

① RANK≥2的用戶占比大于70%的場景。

② 每小區下行激活用戶數2～4個。

eNodeB根據UE的無線信道質量，自適應為UE選擇合適的傳輸模式，以獲取最佳頻譜效率。改功能實施后，重載場景小區BF用戶比例會提升，MUBF配對層數也會增加。用戶下行頻譜效率和用戶下行體驗速率會同步提升。

3.2 對網絡的影響

① 開啟重載TMA但未開啟入網傳輸模式控制時，由于TM2切換到TM7需要時間，可能導致TM2 UE比例較高，最終導致下行配對層數偏低。

③ 在多流用戶占比高的場景，小區空間復用層數會增加。

④ 由于重載TMA增強會進行小區級傳輸模式的嘗試，因此開啟重載TMA增強可能導致小區頻譜效率波動。

⑤ 4R和8R終端傳輸模式自適應優化生效后可以提高BF比例（TM9wPMI占比可能降低），提升用戶下行頻譜效率和下行體驗速率。

4 基于負荷的傳輸模式自適應技術應用效果

本特性在商用網很多局點已經驗證，后臺需要配置高負載識別門限：用戶數>高負載識別門限+偏置；分別測試輕載重載時的TM7比例和配對層數，以及頻譜效率等指標，如圖4～圖7所示。隨著負荷的變化，TM7比例發生明顯的變化，輕載TM7比例低，重載基本90%以上用戶都進BF模式做業務，配對層數也相應提升。

圖4 RRC連接用戶數隨時間變化曲線

圖5 下行最大激活用戶變化曲線

對比用戶數變化趨勢可以看出TM7比例和配對層數隨負荷變化明顯。小區吞吐率隨時間變化趨勢如圖8所示，從圖中可以看出配對層數越高，小區吞吐率越高，說明MM小區頻譜效率越高。

圖6 TM7占比隨時間變化曲線

圖8 小區吞吐率隨時間變化趨勢

5 總結

本文主要介紹了5G MM小區基于負荷的傳輸模式自適應功能的實現原理以及實際應用效果。輕載場景根據用戶實際信道環境選擇合適的傳輸模式，優先保證單用戶體驗速率最優；重載場景，優先保證MM小區容量，盡量讓用戶進入TM7模式做業務，提升MUBF配對層數和配對概率，保證整體用戶體驗最優。本研究成果最終實現提升頻譜的利用率，最大化MM的商用價值。