多天線技術標準化關鍵技術研究

張 影,孟薩出拉,趙豫京,谷 毅,王雅麗,朱思成,張 慧

(1.南京南瑞信息通信科技有限公司， 南京 211106； 2.中國電力科學研究院有限公司 信息通信研究所， 北京 100192； 3.國網河南省電力公司信息通信公司， 鄭州 450052； 4.國家電網有限公司， 北京 100031)

1 引言

多天線技術在提升傳輸速率、提升傳輸可靠性、改善系統頻譜效率及抑制干擾方面起到了十分重要的作用，因而廣泛用于無線接入系統中。從通信原理角度看，多天線傳輸方案分為空間分集、空分復用與波束賦形三大類。其中，空間分集利用并行通道傳輸相同或具有一定冗余度的數據，以提升傳輸的可靠性，達到抗衰落的目的。空分復用利用多根天線構成的并行信道傳輸不同的數據流，從而直接提升數據傳輸速率。波束賦形根據發射機獲取的信道狀態信息，對發射信號進行預處理，將信號能量聚集到接收機所在的特定方向，從而直接提高接收信號的信噪比。目前，分析上述3種多天線方案的文獻較多，理論方面比較成熟，但在實際應用中，還無法將一些理論成果用于實踐。原因是，對目前多天線標準化過程中涉及的關鍵技術的理解不夠深刻，無法建立關鍵技術與理論成果之間的映射關系。鑒于此，本文深入分析4G-LTE、IoT-G230 MHz、5G-NR中的多天線標準化關鍵技術，建立其與多天線三大傳輸方案之間的關系，并通過仿真驗證這些方案的性能。

2 4G-LTE多天線技術

多天線(multi-input multi-output,MIMO)的前身是第三代移動通信系統應用的智能天線。它采用發送相同數據的多陣元天線，形成指向某些用戶的波束，從而有效提高天線增益，降低用戶間干擾。因此，智能天線實質上利用了MIMO技術的空間分集，但它沒有實現空分復用。

在3G向4G-LTE系統演進過程中，引入了MIMO技術，它與正交頻分復用技術(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)相結合，在4G-LTE系統中起到了巨大作用。4G-LTE系統的第一個版本，就對包括發射分集、空分復用、多用戶MIMO及波束賦形技術在內的幾乎所用多天線技術進行了標準化。并且，在4G-LTE系統后續演進中，對多天線技術的完善與增強始終是其最重要的發展路線之一。

3GPP LTE技術規范R8版本定義的多天線技術，下行最多支持4天線4層發射，上行支持單天線發射；R9版本中下行引入了雙流波束賦形技術；R10版本對多天線技術進行了進一步增強，下行最多支持8天線8層發射，上行最多支持4天線4層發射，峰值頻譜效率可以提高至30 bits/s/Hz，上行15 bits/s/Hz。

4G-LTE最終版本中共定義了九種下行鏈路多天線傳輸模式(transmission mode,TM)，各模式功能描述如下所示。TM1為單天線傳輸模式，主要用于室內分布系統，或其他模式出現故障時。TM2為發射分集，適用于小區邊緣干擾較大或高速移動場景，提供分集增益，提高可靠性。TM3為開環空分復用，終端不需要反饋預編碼矩陣指示(precoding matrix indicator,PMI)，適用于高速移動場景。TM4為閉環空分復用，終端需要反饋PMI和rank(信道矩陣的秩)，適用于信道條件比較好的場景，用于提高數據傳輸速率。TM5為多用戶MIMO，即空分多址，用于提升小區容量。TM6為頻分雙工(frequency division dual,FDD)模式下的單層閉環波束賦形，用于提升信號覆蓋范圍。TM7為時分雙工(time division dual,TDD)模式下的單流閉環波束賦形，用于提升信號覆蓋范圍。TM8為TDD模式下的雙流閉環波束賦形，是TM7的演進，在波束賦形的同時，基站同時發送兩路數據流，實現空分復用。TM9為R10版本新增模式，最多可以支持8層傳輸，用于提升傳輸速率。

TM7、TM8、TM9一般采用TDD模式，收發兩端都基于8通道天線，無法在兩通道終端設備上實施。考慮單用戶與基站通信，根據LTE R10標準，在傳輸1 000個OFDM幀的情況下，對TM7、TM8、TM9吞吐量進行了仿真測試，結果如圖1所示。其中，TM7為單流單層，4×8天線配置；TM8為雙流雙層，4×8天線配置；TM9為雙流4層，8×8天線配置。由圖可知，上述3種模式的單用戶信道容量依次遞增，與多天線空分復用理論相符。

圖1 4G-LTE下行鏈路多天線TM7/8/9吞吐量曲線Fig.1 4G-LTE Downlink multi antenna throughput comparison among TM7/8/9

3 IoT-G230MHz多天線技術

國家電網IoT-G230MHz技術規范規定：基站應支持發射天線數量為1或2，并支持接收天線端口數為1或2。物理層下行鏈路共享信道(physical downlink shared channel,PDSCH)多天線技術實現過程如圖2所示。

圖2 IoT-G230MHz多天線技術實現過程框圖Fig.2 IoT-G230MHz implementation process of multi antenna technology

(1)

表1 下行共享信道調制方式Table 1 Downlink shared channel modulation

表2 發射分集層映射規則Table 2 Transmit diversity layer mapping rules

(2)

最后，根據OFDM資源映射規則，產生各個天線端口的OFDM符號。

上述過程采用了空頻分組碼(space frequency block code,SFBC)。對規范中的發射分集方案進行了仿真驗證，得到圖3所示誤比特率曲線。分析曲線可知，采用發射分集技術后，接收端誤比特率明顯下降，鏈路可靠性得到提升。仿真結果與多天線發射分集理論相符。

圖3 單天線發射與多天線發射分集誤比特率曲線Fig.3 Comparison of bit error rate between single antenna transmission and multi antenna transmission diversity

在浙江省海寧市對采用雙天線基站的IoT230系統進行實地測試，信號的覆蓋站點位置如圖4所示，網絡性能如表3所示。

圖4 IoT-G230MHz專網網絡覆蓋站點位置圖Fig.4 Location map of private network coverage sites

表3 IoT-G230MHz網絡性能測試Table 3 Performance test of IoT-G230MHz private network

4 5G-NR多天線技術

3GPP NR的R15版本定義了2個頻率范圍，FR1和FR2。前者為低頻頻段，在450 MHz～6 GHz之間，稱為sub 6G頻段；后者為高頻段，在24.25～52.6 GHz之間，稱為毫米波頻段。由于頻段特性不同，5G新空口(5G-NR，5G-New Radio)分別為2個頻段定義了多天線標準。

4.1 sub 6G頻段多天線技術

此頻段為當前移動通信系統的主流頻段，頻譜擁擠，急需提高頻譜效率。5G-NR采用的多天線技術是對4G-LTE多天線技術的改進和發展，主要體現在：引入了靈活、可擴展、模塊化的信道狀態信息(channel state information,CSI)框架，它包括一種分辨率較高的CSI報告類型，目標是提高多用戶MIMO頻譜效率。

對于下行多天線傳輸，為了支持不同的CSI要求，5G-NR定義了2種不同的CSI報告類型，分別稱為類型Ⅰ和類型Ⅱ。類型Ⅰ針對中等分辨率的單用戶MIMO傳輸，類型Ⅱ具有更高的CSI分辨率，目標在于支持更高頻譜效率的多用戶MIMO傳輸。

4.2 毫米波大規模天線技術

在維持相同天線數量條件下，更高頻段意味著所需天線陣列尺寸越小。頻段的升高對設備的小型化、部署的便利化，天線規模的進一步擴大都是有利的。雖然毫米波的使用帶來了更廣闊的帶寬，但是毫米波頻段信號傳播特性與Sub 6G頻段存在明顯差異。毫米波頻段的信號傳播會受到很多非理想因素的影響，例如路徑損耗、雨衰、物體遮擋造成的陰影衰落等。實測結果也表明，上述不利因素往往會隨著頻率的提高而不斷加重。因此，提升毫米波頻段設備的接收信噪比，提高毫米波信號覆蓋范圍，成為當務之急。

為了克服以上難題，5G-NR系統引入波束賦形技術。它是一種基于天線陣列的信號預處理技術，通過在數字或模擬域調整基帶或射頻信號的加權系數，產生具有可控指向的高增益波束，達到提高系統頻譜效率、擴大信號覆蓋范圍、抑制干擾等目的。

波束賦形技術分為數字、模擬、模數混合三大類。數字波束賦形在基帶進行，每根天線對應一條獨立的射頻鏈路，可對數字調制符號的幅度及相位進行調整，一般用于天線數量較少的傳統低頻系統。模擬波束賦形在射頻進行，只需一條射頻鏈路，只能對模擬信號的相位進行調整。模數混合波束賦形則將兩者結合，在系統性能和復雜度之間進行折中。

考慮單用戶與基站的下行鏈路通信，基站采用64根天線，假設發射端有8條獨立的射頻鏈路，且已知完美的信道狀態信息。通過文獻[30]中提出的正交匹配追蹤(orthogonal matching pursuit,OMP)混合波束賦形算法，對不同數量數據流情況下的數字波束賦形與模數混合波束賦形頻譜效率進行了仿真對比。根據圖5的仿真結果可知，混合波束賦形系統性能相對較差，但其所需射頻鏈路數量僅為8，遠遠小于64。因此，混合波束賦形技術在大規模天線系統的性能和復雜度之間實現了折中。出于成本和復雜度的考慮，模數混合波束賦形甚至是單純的模擬波束賦形將是5G-NR系統波束賦形技術的實現方式。

圖5 全數字波束賦形技術與模數混合波束賦形性能曲線Fig.5 Performance comparison between all digital beamforming and hybrid beamforming

4.3 毫米波無線信道建模

大帶寬是5G 增強型移動帶寬場景的最大特點，毫米波頻段的最大傳輸帶寬預計將達到1 GHz。同時，波長短、衰落大、多徑數量少、大規模天線波束賦形技術的應用都會影響毫米波頻段無線信號傳輸特點。因此，毫米波無線信道建模對于5G-NR系統性能評估與提升是具有重要意義的。

在3GPP NR標準信道模型中，根據大規模天線的部署場景抽象出了信道模型的4個典型場景：Umi場景、Uma場景、Indoor Office場景和RMa場景。其中，Umi場景定義為城區微小區場景，室內外用戶均為高密度，且基站低于周圍建筑物高度；Uma場景定義為城區宏小區場景，室內外的用戶密度均為高密度，且基站高于周圍建筑物高度；Indoor Office場景定義為室內熱點覆蓋場景，根據建筑物特征和覆蓋面積，可以將其分為Open Office和Mixed Office兩類，兩者主要差別在于LoS概率不同；RMa場景定義為大范圍連續覆蓋場景，通過連續廣義覆蓋支持高速移動以及郊區和農村等廣袤地區。

3GPP NR系統采用了基于幾何的統計信道模型，將一定數量的不易通過實驗分辨且參數詳盡的若干多徑定義為一個簇，把簇作為統計信道狀態信息的基本單位。簇內每條多徑的傳輸參數在簇的統計參數基礎上，加上具有一定規律的擾動產生。最終將每個簇中每條多徑對應的響應疊加，得到無線信道的時域沖擊響應。

無線信道模型包括大尺度信道模型和小尺度信道模型兩部分。大尺度信道模型對于預測距發射端一定距離的接收端場強變化具有重要參考作用，其一般表現為LoS路徑概率、路徑損耗、穿透損耗和陰影衰落等。小尺度信道模型對無線信道的小尺度衰落進行建模。小尺度衰落是指無線電信號在短時間或短距離傳播后其幅度、相位或多徑時延的快速變化。這種變化是由同一傳輸信號沿不同路徑，以不同時刻(或相位)到達接收機的多徑信號疊加引起的。小尺度信道模型主要考慮由不同多徑時延、多普勒頻移及發射/到達角導致的頻率色散參數、時間色散參數、空間色散參數。

3GPP NR標準信道模型的信道系數生成基本過程如圖6所示。其中，大尺度信道模型包括設置傳播環境(NLoS/LoS)，計算路徑損耗和陰影衰落等過程。小尺度信道建模包括多徑分量統計參數計算，根據統計參數計算每條路徑時延、功率、發射/到達角等過程。

圖6 3GPP NR標準信道模型信道系數生成基本過程框圖Fig.6 Basic process of channel coefficient generation of standard channel model

以上建模過程涵蓋了所有5G-NR通信場景，適用于5G-NR無線傳輸信道仿真，可用于無線接入技術的評估預測。但是，該建模過程復雜度較高，不易于快速實現與仿真。為了降低建模復雜度，標準模型通過固定或省略了某些參數，給出了用于快速進行鏈路級仿真的簇延遲線(clusetered delay line,CDL)模型和抽頭延遲線(tap delay line,TDL)模型。其中，CDL模型共有CDL-A/B/C/D/E五種不同的參數配置，CDL-A/B/C針對NLoS傳播環境，CDL-D/E則針對LoS傳播環境；TDL模型共有TDL-A/B/C/D/E五種不同的參數配置，TDL-A/B/C針對NLoS傳播環境，TDL-D/E則針對LoS傳播環境。需要注意的是，CDL模型支持多天線配置，而TDL模型不支持。

5 結論

本文以無線蜂窩網絡中的多天線技術的標準化作為研究對象，根據多天線的空間復用、空間分集、波束賦形3種基本原理，對3種網絡中的多天線關鍵技術進行歸納，并通過仿真分析這些技術的作用。

1) 整理4G-LTE包含的9種多天線傳輸模式TM1-TM9，以下行鏈路作為通信場景，對TM7/8/9三種模式的吞吐量進行仿真，體現3種模式的特征。

2) 考慮到IoT-G230MHz網絡屬于國家電力系統的專網，通過仿真分析其空間分集性能，搭建專用網絡，對IoT-G230MHz系統性能進行測試。驗證了多天線技術的有效性。

3) 5G-NR包含Sub 6G和毫米波2個頻段的多天線技術，后者的核心內容是無線信道建模、全數字波束賦形和混合波束賦形，仿真結果表明混合波束賦形很好地實現了性能-復雜度協調。