面向6G的無蜂窩大規模MIMO無線傳輸技術*

王東明

（1.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.網絡通信與安全紫金山實驗室，江蘇 南京 211111）

0 引言

5G移動通信系統已商用化部署，其持續演進將與實體經濟深度融合，形成良好的5G產業生態。在此背景下，國際組織及各國政府均已計劃開展6G移動通信系統的研究。目前，雖然6G還未有統一的定義，但應用場景、技術趨勢及關鍵指標方面已有一些初步的共識[1]。2021年6月6日，我國工信部IMT-2030(6G)推進組正式發布了《6G總體愿景與潛在關鍵技術》白皮書[2]，梳理出6G的總體愿景和八大業務應用場景及相應的指標需求，提出了6G的一些關鍵技術指標，包括：系統峰值傳輸速率將達到Tbit/s量級、用戶體驗速率達到10 Gbit/s、時延低至百μs量級同時可靠度達到99.999 99%等，并提出了十大關鍵技術，指出6G將在5G的基礎上，繼續深度挖掘低頻段的潛力，提高系統的頻譜效率；深耕毫米波頻段提高傳輸速率及系統的魯棒性，并向太赫茲直至光頻段，拓展無線通信的頻譜資源，提供超高容量、超大規模移動通信服務。

空口無線傳輸技術一直是歷代移動通信系統的核心能力的體現，也是實現6G關鍵指標的主要技術途徑。在現有5G使用的頻譜中（包括毫米波和sub-6GHz頻段），頻譜資源的緊缺問題仍然非常突出，頻譜效率亟需進一步提升。

多天線技術及密集組網作為提高頻譜效率的主要方法在3G～5G中得到廣泛應用，基站的發送天線數從3G應用的2根增加到5G應用的64甚至128根，小區分裂也從宏蜂窩、微蜂窩到微微蜂窩。然而，集中式系統中增大天線規模遇到的物理實現問題和小區分裂遇到的干擾問題，使得5G系統的頻譜效率并不能持續性提升。因此，需要打破傳統蜂窩架構以及小區分裂的思維方式，采用新型的無蜂窩組網及相應的大規模協作MIMO傳輸技術[3]。

由于低頻段頻譜資源幾近枯竭，拓展頻譜資源是提高峰值速率最直接的方法，因而從5G的毫米波到更高頻段的太赫茲成為滿足6G峰值速率的主要解決手段。然而，高頻段的大帶寬、近光學和易被遮擋等特點，使其在移動通信應用中面臨眾多技術挑戰。在無蜂窩架構下，通過協作傳輸，可以有效解決高頻段易被遮擋的問題，提高鏈路的魯棒性。

本文首先介紹了無蜂窩大規模MIMO與技術的關系，然后分別針對低頻段和高頻段介紹了無蜂窩大規模無線傳輸的關鍵技術，并對無蜂窩大規模MIMO的未來的研究方向進行了探討。

1 多天線技術的演進及無蜂窩系統的技術原理

1.1 多天線技術的演進

多天線技術是提高無線通信系統頻譜效率的有效途徑。從2G到5G，基站天線數從傳統的1發1收到64發64收，并行傳輸的數據流從1到16，系統的頻譜效率也從0.5到100 bit/s/Hz，實現了大幅度的提升。如圖1（a）～（c）所示，從3G到5G，多天線技術也歷經了點到點MIMO、點到點多用戶大規模MIMO和多點到多點的多用戶分布式MIMO。商用5G在室內場景采用了基于點到點MIMO技術的小蜂窩組網（Small cell），在室外宏蜂窩場景采用了64發64收有源天線單元的大規模MIMO。5G小蜂窩組網通過密集部署低功率小站增強覆蓋和傳輸速率，但是其面臨的干擾問題使其容量難以進一步提升。5G大規模MIMO可大幅提高頻譜效率，但同時其功耗、重量和成本都較大，通過進一步增加單站天線提升性能的方案將遇到瓶頸。

在蜂窩移動通信系統的部署中，采用光纖拉遠的遠端無線單元（RRU）可增強覆蓋。一種簡單的方式是，基站的基帶單元（BBU）為不同的用戶分配不同的時頻資源，上行接收時多個RRU的基帶信號經過時域合并后送至BBU，下行發送時多個RRU發送相同的信號。這種共小區實現方式目前仍被廣泛應用于5G小蜂窩室內部署，也是早期分布式天線系統的概念。當多個RRU的接收信號透明地匯聚到BBU，采用協作傳輸技術形成多用戶分布式MIMO（如圖1（c）所示），可獲得空間復用增益和宏分集。不同于共小區實現，分布式MIMO的多個用戶可以共享相同的時頻資源，進而顯著提高系統的頻譜效率[4]。

圖1 多天線技術的演進

1.2 CoMP、C-RAN、分布式MIMO及無蜂窩系統的關系

RRU的分布式部署以及云無線接入網（Cloud-RAN）的應用，為分布式協作傳輸的實現提供了基礎設施的支撐。C-RAN引入基帶池的概念，將多個RRU的基帶信號匯聚到基帶池，進而提高系統的靈活性并降低部署的成本。C-RAN是一種無線接入網的部署和實現形式，它可以支持協作傳輸，也可以支持非協作傳輸。目前在4G和5G的C-RAN商用部署中，并沒有采用聯合處理的協作傳輸。

4G引入了協作多點傳輸（CoMP）技術。CoMP允許一個小區內多個接入點之間的協作以及小區間的多個站點的協作。CoMP協作傳輸技術包括聯合處理、干擾協調、協作波束賦形、協作調度。但是，4G引入的CoMP技術仍然是基于蜂窩的實現，并且由于站點間交互的容量受限、協作節點及天線數受限，CoMP的優勢并沒有被發揮出來。

無蜂窩大規模MIMO的基礎設施仍依賴于分布式RRU部署，理論上仍然是一種多用戶分布式MIMO。無蜂窩系統可以采用集中式處理和分布式處理。集中式處理可以采用C-RAN的部署方式，多個RRU的基帶信號匯聚到集中式的BBU池，在BBU池實現聯合處理。理論上，這種集中式實現可以獲得最優的性能[4]。但是，由于BBU池的信號處理能力存在實現上的瓶頸，進而很難實現“無蜂窩”規模的無限擴大。

1.3 可擴展的無蜂窩大規模MIMO

圖2給出了一種可擴展實現的無蜂窩的上行傳輸方法[5]。系統中有K個用戶，有N個單天線RRU。對于上行傳輸，在每個RRU，其接收信號yn，先進行相干接收，可以得到K個用戶信號sk的初步檢測結果，對檢測結果進行量化后，根據需要，分別發送給下一級基帶處理單元。在基帶處理單元中，對多個RRU發送的特定用戶的檢測結果進行合并，可以得到該用戶最終的檢測結果。

采用上述的實現方式有如下的優點：（1）分布式相干接收在RRU實現，無需與其它RRU交互任何信道信息；（2）理論上，即使采用簡單的信道的共軛相乘的相干接收，當RRU個數N趨于無窮大，仍可以消除用戶間干擾；（3）在前傳網絡的支持下，用戶合并可以在不同的基帶單元中實現，進而可以實現RRU規模及用戶規模的任意擴展。因此，上述的無蜂窩實現方式是可擴展的。

對于下行鏈路，我們仍可以采用圖2所示的可擴展實現。可以看到，采用分布式實現，其核心思想是，收發機被切分為相干接收/發送、信號合并/分發兩個實體模塊。從理論上，這兩個模塊可以分布式實現，進而系統規模可以無限擴大。但是，無蜂窩的分布式實現與集中式實現相比，也有以下問題：（1）集中式實現可以采用更優的接收機和預編碼，因此，相比分布式，集中式能獲得更好的性能；（2）分布式實現可能引發前傳開銷的增大，如圖2所示，每個RRU需要把每個用戶的檢測輸出發送給下一級處理，因此前傳開銷大幅度增加。

圖2 可擴展無蜂窩的上行傳輸原理示意圖

從上述的介紹可以看到，無蜂窩大規模MIMO是分布式MIMO、CoMP的一種實現架構上的創新，與C-RAN也有一定的區別。下面，我們分別介紹無蜂窩大規模MIMO在高頻段、低頻段上實現面臨的挑戰與關鍵技術。

2 低頻段無蜂窩大規模MIMO關鍵技術

在sub-6GHz低頻段，大規模分布式MIMO的信道的具有如下特點：（1）多用戶到多節點時延各不相同，導致信道在頻域變化較大；（2）多個用戶到多個節點的多普勒頻偏不盡相同，用戶移動時導致信道在時域也變化較大；（3）用戶和節點規模大，導致信道矩陣維度大。上述三個特點導致無蜂窩大規模MIMO系統的信道估計信息獲取、傳輸方法設計等方面均面臨挑戰。

2.1 信道信息獲取技術

采用時分雙工模式，可以利用空口信道的互易性，根據上行探測獲得下行信道信息，進而降低下行信道信息獲取的難度。因此，空口的互易性校準對無蜂窩大規模MIMO系統有重要的作用。隨著射頻芯片技術的進步，單個RRU內部多通道的一致性已較為成熟。但是，由于無蜂窩系統要求多個RRU之間的空口校準。考慮到RRU之間距離較大，需要研究高性能的校準算法，例如文獻[6]提出的迭代坐標下降法空口校準。另外，在實際部署中，由于多個RRU很難做到共時鐘，下行聯合預編碼需要考慮RRU之間的時鐘偏差。考慮到RRU之間的時鐘偏差可以采用空口信號估計和跟蹤，需要聯合設計RRU之間的空口信號，實現時鐘同步及互易性校準。幸運的是，由于5G NR的靈活幀結構，RRU間的空口信號可以做到對終端透明。

當上行空分用戶較多時，上行探測信道的導頻開銷是一個重要的問題。利用信道功率域的稀疏性，采用導頻復用技術，可以降低導頻開銷[4]。對于上行數據信道，我們需要估計多個用戶到多個RRU之間的時延、多普勒等統計信息，采用參數化信道估計方法，可獲得較為精確的解調參考信號的信道估計值。

下行信道狀態信息參考信號（CSI-RS）對下行共享信道的信道估計有重要的輔助作用。采用終端透明的跟蹤參考信號（TRS）可以實現對多個RRU復合信道的統計特性獲取。但是，當無蜂窩大規模MIMO系統采用以用戶為中心的傳輸方法時[7]，只有部分RRU為用戶服務，采用傳統的TRS，會造成統計特性測量的不匹配。因此，在以用戶為中心的無蜂窩大規模MIMO系統中，需要研究CSI-RS配置和設計。

2.2 分布式傳輸方法

為了實現無蜂窩的無限擴展，需要考慮分布式協作接收機和預編碼。對于上行接收機，在RRU側采用獨立的多用戶檢測可以分離多個用戶的信號，多用戶檢測可采用最大比合并、迫零、最小均方誤差、最大似然等接收機。多用戶檢測后的用戶信號經過量化后發送到下一級進行用戶信號的合并。對于下行預編碼，可以采用RRU獨立的最大比發送、迫零預編碼或正則化迫零預編碼。考慮到在RRU側實現獨立的接收機或預編碼前傳開銷較大、性能較差，需要研究部分RRU聯合的接收機或部分RRU聯合預編碼。

如前所述，整體上無蜂窩系統的信道在時頻上的變化較大。采用聯合預編碼和接收機的難點在于實現的復雜性。例如，當多個子帶采用同一個預編碼時，子帶不能夠太寬。采用文獻[4]的干擾抑制接收機時，相同干擾抑制矩陣的子帶寬度也不能太寬。

與上下行傳輸相關的還有終端上行的功率控制和下行的多用戶功率分配。與傳統的集中式MIMO不同，對于無蜂窩系統需要根據終端的QoS需求，實現上行的功率控制。學術界對協作MIMO的下行功率分配有較多研究。但是對于無蜂窩系統，需要考慮算法的可擴展性。另外，當多RRU聯合預編碼時，功率分配需要考慮每個RRU的功率約束。文獻[8]提出了采用貪婪算法實現的可擴展功率分配方法。

當采用以用戶為中心的無蜂窩系統時，還需要研究用戶與RRU的關聯。由于多節點的協作能力，采用上行探測信道及接收信號強度等定位方法，可以獲得用戶位置信息。根據用戶位置信息，進而可以實現用戶與RRU的關聯，并可以輔助參考信號的復用。

3 高頻段無蜂窩大規模MIMO關鍵技術

毫米波是5G引入的新技術。由于毫米波的近光學、易被遮擋特性，鏈路的魯棒性是其主要挑戰之一。因此，當前5G毫米波并沒有大規模的商用。另外，由于毫米波系統的符號持續時間短，其也是實現低時延的一個技術途徑。將協作傳輸技術引入毫米波系統，一方面可以解決其魯棒性問題，實現超低時延超高可靠傳輸，另一方面，可以提高系統的頻譜效率，進而提高系統總吞吐量。因此，毫米波大規模協作MIMO結合無蜂窩實現架構，將是滿足6G高峰值速率、高頻譜效率及低時延高可靠的關鍵技術之一。

然而毫米波無蜂窩大規模MIMO將面臨更多的挑戰，包括：（1）受到相噪的影響以及毫米波射頻前端通道一致性的限制，整體的上下行信道是否具有互易性以及校準的時效性尚需要研究。（2）由于毫米波系統通常采用混合預編碼，在無蜂窩系統中，多個節點和多用戶的波束掃描需要進一步研究。（3）毫米波的上行聯合接收具有較強的可實現性，但是，不同于低頻段，接收機需要設計模擬接收波束。根據上行探測信道可以求解出模擬接收波束。經過模擬接收波束后，結合類似低頻段的接收機實現方式，可解決上行的多用戶干擾。（4）下行多用戶協作傳輸是系統的難題，尤其是如何獲得下行信道信息，實現混合預編碼。當空口的互易性可用時，可使用協作的混合預編碼設計[9]。當空口的互易性不可用時，需要終端反饋下行信道。采用人工智能的方式實現信道的壓縮反饋是近期的研究熱點[10]，利用毫米波系統信道的稀疏性，反饋開銷有望降低到可接受的程度。

4 基于無蜂窩大規模MIMO的網絡輔助全雙工技術

雙工方式也是移動通信標準所關注的熱點。5G采用了靈活雙工。隨著同時同頻全雙工（CCFD）技術的逐漸成熟，其在6G中的應用被進一步關注。但是5G引入的靈活雙工以及CCFD在組網時，不可避免地面臨交叉鏈路干擾問題[11]，即：處于發送狀態的RRU對處于接收狀態的RRU的干擾和處于上行發送的終端對處于下行接收終端的干擾。無蜂窩大規模MIMO的協作傳輸能力為更加自由的雙工提供了有力支撐。

圖3給出了基于無蜂窩構架的網絡輔助全雙工（NAFD）示意圖，它實現了真正意義上的靈活雙工方式[12]。其主要工作原理包括：上下行無線鏈路在相同的頻率資源上同時進行；每個RRU通過前傳鏈路連接到基站基帶處理單元（BBU），并由BBU實現聯合基帶處理；每個RRU由一個收發機來實現發送或接收或同時發送與接收，并由BBU根據整個網絡的流量負載決定合適的雙工方式。對于CCFD RRU而言，RRU的收發自干擾可以在模擬域上消除，因此我們可以將其看作為兩個RRU，一個用于上行接收，另一個用于下行發送。另一方面，對于發送RRU與接收RRU間的干擾，由于該鏈路的準靜態特性，鏈路間的信道矩陣可以以很低的開銷估計得到，且BBU的集中處理使得它可以提前獲得所有終端下行信號，從而可以在數字域上消除這種干擾。因此，在無蜂窩構架條件下，可用多個半雙工RRU實現帶內全雙工，這也是我們把這種雙工方式稱之為NAFD的原因。

圖3 基于無蜂窩構架的網絡輔助全雙工示意圖

NAFD系統仍然存在上行用戶對下行用戶的干擾。消除該干擾的主要途徑包括以下兩種：1）當下行用戶能夠估計出干擾用戶的信道時，可通過干擾消除技術消除上行用戶的干擾；2）在BBU中采用聯合上下行用戶調度和分組配對或上行功率控制減輕這種干擾。

NAFD和現有的雙工技術相比，主要有以下不同和優勢。首先，和傳統的時分雙工相比，NAFD能夠提供低時延的服務；和傳統的頻分雙工相比，NAFD能夠在不降低頻譜利用率的情況下支持非對稱業務。其次，與5G靈活雙工技術相比，對于基于無蜂窩架構的NAFD，RRU可以為半雙工或者CCFD，通過聯合處理，可以降低靈活雙工、混合半雙工和CCFD網絡中的交叉鏈路干擾。另外，基于無蜂窩架構的NAFD可以支持5G NR的靈活時分雙工：當所有的RRU都工作在半雙工模式，但是不同的RRU的時隙結構不同，同一時刻，部分RRU發送、部分RRU接收，采用NAFD可降低這種場景引發的交叉鏈路干擾。理論上來說，NAFD和CCFD的性能對比就類似于分布式MIMO和集中式MIMO的對比，分布式MIMO可以獲得額外的功率增益以及宏分集[13]。由于RRU密度的增大，NAFD可以獲得比CCFD更好的性能。

NAFD是一種基于無蜂窩架構的自由雙工方式。目前，其仍然面臨較多問題，主要包括：（1）實際的5G NR系統中，由于上行要求的提前接收，RRU之間的收和發在時間上并不是對齊的，如何解決這種異步引發的干擾問題，需要在標準化設計時考慮。（2）消除交叉鏈路干擾依賴于RRU之間的協作，采用集中式BBU方案時可以較好消除干擾，當采用分布式收發時，干擾消除能力需要進一步研究。（3）采用完全動態的RRU收發控制，需要從全局的角度去研究收發模式選擇[14]，以降低干擾，提高系統容量。

5 結束語

無蜂窩大規模MIMO是打破傳統蜂窩結構，實現大規模協作的有效途徑。它的基本理論繼承于多用戶分布式MIMO，已被廣泛證明有顯著的性能增益。隨著射頻器件的進步，采用空口校準，可支撐無蜂窩大規模MIMO協作傳輸，是深度挖掘sub-6GHz系統的頻譜效率、提升有可靠性的有效途徑。經過近20年的研究和不斷的試驗驗證[4]，無蜂窩大規模MIMO將在6G系統發揮重要的作用。無蜂窩大規模MIMO的思想應用在毫米波系統中，將對超級上行有重要的支撐作用，是進一步深耕毫米波頻段的重要技術途徑。但需要看到，無蜂窩大規模MIMO應用于毫米波仍有較多的問題，需要進一步研究，并通過試驗驗證其可實現性。無蜂窩大規模MIMO是解決CCFD組網面臨的干擾問題的重要手段，但是如何解決更加自由靈活的雙工方式引入的干擾，還有很多的工作需要進一步深入研究。