Pre5G Massive MIMO技術(shù)的研究

董帝烺

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

Pre5G Massive MIMO技術(shù)的研究

董帝烺

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

介紹了Pre5G Massive MIMO所采用的大規(guī)模陣列天線、參考信號(hào)、傳輸模式、波束賦形和預(yù)處理等技術(shù)原理，對(duì)泉州Massive MIMO項(xiàng)目研究的MU-MIMO、波束賦形、移動(dòng)性和切換等技術(shù)進(jìn)行探討。

5G技術(shù)4G化 Massive MIMO 參考信號(hào) TM9 波束賦形 預(yù)編碼

1 引言

隨著移動(dòng)寬帶化的發(fā)展，高速率業(yè)務(wù)需求逐步增加，如VR/AR和高清視頻等對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速率的需求越來(lái)越高，同時(shí)移動(dòng)用戶在日常生活中對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越多，4G網(wǎng)絡(luò)的流量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在加速發(fā)展，現(xiàn)階段，將5G一些已經(jīng)成熟的技術(shù)應(yīng)用到目前的4G網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步提升4G網(wǎng)絡(luò)的性能，更好地提升用戶感知。

把5G核心技術(shù)4G化，簡(jiǎn)稱Pre5G，這是目前4G技術(shù)演進(jìn)的一個(gè)趨勢(shì)，其中，Massive MIMO技術(shù)是關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)。由于無(wú)線資源的逐漸受限，空間增益的追求更趨重要，為此演進(jìn)發(fā)展了Massive MIMO概念，即大規(guī)模MIMO，它是利用大規(guī)模陣列天線，實(shí)現(xiàn)更精確的波束賦形，更高流數(shù)的復(fù)用及MU-MIMO等，為網(wǎng)絡(luò)容量提升和用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)的改善提供了更加有效的技術(shù)手段。

Massive MIMO的系統(tǒng)制式可以分為TDD系統(tǒng)和FDD系統(tǒng)，TDD系統(tǒng)由于上下行信道本身的互易性優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為容易，技術(shù)產(chǎn)品也較為成熟且已進(jìn)入商用。FDD Massive MIMO技術(shù)受限于信道測(cè)量，需要更加復(fù)雜的信道估計(jì)和預(yù)編碼，目前還處于研究階段，還未投入商用。

2 Massive MIMO的技術(shù)原理

通信技術(shù)一直受限于香農(nóng)定理，直到MIMO出現(xiàn)，它跳出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單用戶的條框，將單一點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道變換成多個(gè)并行信道來(lái)進(jìn)行處理，以至于頻譜效率主要取決于并行信道數(shù)量，從而提升了系統(tǒng)容量和頻譜效率。MIMO是指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線和接收天線，采用空間分集的方法使不同的信號(hào)在相同的頻率下同時(shí)傳送。

2.1 大規(guī)模陣列天線

Massive MIMO是傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，通過(guò)基站側(cè)利用大規(guī)模天線陣列（陣子數(shù)高達(dá)128或以上）形成多發(fā)多收的系統(tǒng)，達(dá)到32T32R，通過(guò)增加天線數(shù)增加系統(tǒng)的容量，并利用不同用戶間信道的近似正交性降低用戶間干擾，實(shí)現(xiàn)多用戶空分復(fù)用。

Massive MIMO相比傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)，支持更高階MU-MIMO，支持遠(yuǎn)超過(guò)8個(gè)用戶同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，有更高、更遠(yuǎn)、更深的覆蓋，且較大的陣列增益能提高發(fā)射功率的效率，降低基站能耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信的最終目的。Massive MIMO適合于開(kāi)闊空間覆蓋，包括宏覆蓋和中小面積熱點(diǎn)區(qū)域覆蓋。

2.2 參考信號(hào)和傳輸模式

為了支持最高達(dá)8層的空分復(fù)用，R10版本新增加了CSI-RS和DMRS這兩種下行參考信號(hào)，同時(shí)新增加了一種新的傳輸模式TM9。終端基于CSI-RS信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，基于DMRS信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)頻測(cè)量與解調(diào)功能的分離。傳輸模式TM9實(shí)現(xiàn)了SU-MIMO和MU-MIMO兩種模式的統(tǒng)一。

（1）CSI-RS參考信號(hào)

R10版本之前的終端通過(guò)測(cè)量CRS（Cell-specific Reference Signal，小區(qū)專用參考信號(hào)）信號(hào)獲得下行信道的狀態(tài)信息，CRS信號(hào)最多只支持4層的空分復(fù)用。為了支持最多8層的空分復(fù)用，REL-10引入了CSI-RS信號(hào)，其目的是獲得下行信道的CSI（Channel State Information，信道狀態(tài)信息），以便實(shí)現(xiàn)與多天線傳輸相關(guān)的基于信道的調(diào)度、鏈路自適應(yīng)以及傳輸模式的設(shè)置，CSI-RS信號(hào)對(duì)應(yīng)天線端口15到22。

在時(shí)域，CSI-RS信號(hào)可以配置不同的周期，根據(jù)3GPP協(xié)議，CSI-RS周期可以為5 ms、10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。通過(guò)設(shè)置不同的子幀偏置，CSI-RS信號(hào)可以配置在任何一個(gè)子幀上，但是為了避免CSI-RS信號(hào)與系統(tǒng)消息、同步信號(hào)、尋呼消息發(fā)生碰撞，包含上述內(nèi)容的子幀不建議配置為CSI-RS子幀。由于REL-8/9終端不能識(shí)別CSI-RS信號(hào)，也不建議在CSIRS子幀上調(diào)度REL-8/9終端。在頻率域，CSI-RS信號(hào)在配置為CSI-RS子幀的整個(gè)帶寬上進(jìn)行傳輸。

適合于FDD和TDD幀格式的CSI-RS參考信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CSI-RS映射圖譜

（2）DMRS參考信號(hào)

DMRS（Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號(hào)）用于對(duì)某個(gè)特定的終端進(jìn)行解調(diào)。對(duì)于REL-8版本，只有單端口的DM-RS信號(hào)，對(duì)應(yīng)傳輸模式5；對(duì)于REL-9版本，有雙端口的DM-RS信號(hào)，對(duì)應(yīng)傳輸模式8。對(duì)于REL-10版本，最多可以有8端口的DM-RS信號(hào)，對(duì)應(yīng)傳輸模式9。DM-RS信號(hào)與分配給某個(gè)終端的PDSCH同時(shí)傳輸。DM-RS信號(hào)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（3）傳輸模式TM9

為了支持最多8層的空分復(fù)用，R10中新增了傳輸模式9。傳輸模式9可以支持1個(gè)SU-MIMO用戶，該用戶最多有8層PDSCH數(shù)據(jù)傳輸，或者最多支持4個(gè)MUMIMO用戶，每個(gè)用戶只有1層PDSCH數(shù)據(jù)傳輸，或者最多支持2個(gè)MU-MIMO用戶，每個(gè)用戶有2層PDSCH數(shù)據(jù)傳輸。

針對(duì)傳輸模式9，REL-10新增了PDCCH格式2C，該格式新增了層數(shù)、參考序列擾碼以及天線端口配置等信息，以支持基于DMRS信號(hào)的MU-MIMO。

2.3 波束賦形和預(yù)處理

波束賦形是指大規(guī)模多天線系統(tǒng)可以控制每一個(gè)天線單元的發(fā)射（或接收）信號(hào)的相位和信號(hào)幅度，產(chǎn)生具有指向性的波束，消除來(lái)自四面八方的干擾，增強(qiáng)波束方向的信號(hào)，它可以補(bǔ)償無(wú)線傳播損耗。3D Beamforming是指在三維空間（水平和垂直空間）形成傳輸信號(hào)的分離波束。

波束賦型是基于智能天線的原理，利用來(lái)波方向DOA來(lái)估計(jì)方向。如圖3所示，均勻線陣是由N個(gè)陣元等間距d排列成一條直線而組成。假設(shè)均勻平面波入射，d是陣元間距，不同陣元相對(duì)于參考點(diǎn)存在接收信號(hào)的路程差。陣元N相對(duì)于參考點(diǎn)陣元1產(chǎn)生的路程差是：(N-1)×d×sinθ，因此，相位差可以表示為：(N-1)×2πd×sinθ/λ，均勻線陣的導(dǎo)向矢量表達(dá)式為：

圖3 來(lái)波方向計(jì)算示意圖

預(yù)編碼是使用預(yù)編碼矩陣將層映射到天線端口的過(guò)程。預(yù)編碼矩陣是R×P的矩陣，其中R為傳輸秩，即使用的傳輸層數(shù)，P為天線端口的個(gè)數(shù)。LTE支持2種方式進(jìn)行下行天線預(yù)編碼：基于碼本的預(yù)編碼和基于非碼本的預(yù)編碼。碼本是有限的可用預(yù)編碼矩陣的集合。UE只能從碼本中選擇合適的預(yù)編碼矩陣（PMI）進(jìn)行上報(bào)；而對(duì)于基于碼本的預(yù)編碼，eNodeB只能從碼本中選擇合適的預(yù)編碼矩陣，并通過(guò)DCI告訴UE對(duì)應(yīng)的下行PDSCH傳輸所使用的預(yù)編碼矩陣。

在FDD Massive MIMO的實(shí)現(xiàn)中，基站向UE發(fā)送DMRS、CSI-RS參考信號(hào)，UE根據(jù)參考信號(hào)的解調(diào)和測(cè)量，將CSI反饋給基站，CSI包括寬帶CQI、PMI?；纠蒙闲蠸RS的DOA估計(jì)再結(jié)合PMI的反饋，進(jìn)行UE的波束賦形。

由于TDD系統(tǒng)上下行使用同一頻段，可以單邊地基于上行信道狀況估計(jì)下行信道，即利用上下行信道的互易性來(lái)推斷基站到終端的下行鏈路。而對(duì)于FDD系統(tǒng)，多了大量CSI反饋，隨著天線數(shù)量的增加，不但開(kāi)銷增大，且反饋信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性也存在降低的可能。因此，Massive MIMO在FDD上更難部署。TDD和FDD的對(duì)比如圖4所示。

3 Massive MIMO目前的研究進(jìn)展

從2016年年底開(kāi)始，中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院、福建聯(lián)通聯(lián)合中興通訊在泉州進(jìn)行Massive MIMO技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和研究。

圖4 TDD和FDD的對(duì)比

3.1 容量提升

對(duì)于FDD系統(tǒng)Massive MIMO，當(dāng)前主要考慮采用基于TM9的傳輸模式。在TM9模式下，下行需要增加UE專用解調(diào)參考信號(hào)DMRS和信道狀態(tài)信息參考信號(hào)CSI-RS，因此也增加了信道的開(kāi)銷，使得在1 ms調(diào)度的TB size最多只有63 776 bit，在雙流的情況下單用戶最高的峰值速率只能127.55 Mb/s。

在研究測(cè)試配置中，CSI-RS配置天線端口數(shù)為4個(gè)，使用天線端口port15-18，周期TCSI-RS為5 ms，ΔCSI-RS指定了每個(gè)UE對(duì)應(yīng)的CSI-RS在其5 ms周期內(nèi)的第2個(gè)子幀發(fā)送。

在華僑大學(xué)楊思椿基站的現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試中，單UE速率在120 Mb/s左右，通過(guò)DU METER測(cè)速軟件可以清楚地看到當(dāng)前這個(gè)UE的速率。根據(jù)后臺(tái)統(tǒng)計(jì)小區(qū)總吞吐率，整體平均474 Mb/s左右，如圖5所示，頻譜效率達(dá)到普通LTE小區(qū)150 Mb/s速率的3倍以上。

圖5 華大楊思椿站點(diǎn)的小區(qū)吞吐率（kb/s）

3.2 Beamforming增益

Massive MIMO采用波束賦形技術(shù)，將發(fā)射功率集中在窄波束上，以提升覆蓋性能。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，分別在近、中、遠(yuǎn)點(diǎn)，單用戶對(duì)比測(cè)試FDD Massive MIMO功能關(guān)閉和開(kāi)啟下的RSSI值，兩者之間的差值即為Beamforming的增益值。通過(guò)對(duì)Massive MIMO小區(qū)的近、中、遠(yuǎn)點(diǎn)波束賦形效果進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，獲得了平均6 dB～8 dB的增益，可有效提升Massive MIMO系統(tǒng)的覆蓋水平，具體如表1所示。

3.3 移動(dòng)性能

FDD Massive MIMO在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，對(duì)信道的測(cè)量和估計(jì)非常重要，當(dāng)UE處于移動(dòng)過(guò)程中，信道的測(cè)量和估計(jì)顯得更加復(fù)雜。并且，由于Massive MIMO是通過(guò)多個(gè)不相關(guān)用戶進(jìn)行MU MIMO的匹配，在移動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)其中2個(gè)用戶過(guò)近就會(huì)破壞MU MIMO的匹配。

表1 Beamforming增益

UE4在向UE3方向的移動(dòng)過(guò)程中，離開(kāi)該波束法線時(shí)，該UE空分效果變差，性能開(kāi)始下降，達(dá)到波束切換點(diǎn)時(shí)，性能最低，發(fā)生波束切換后，速率回升并與所在波束的UE頻分共享該波束下100個(gè)RB資源。理想情況下兩個(gè)UE分別為50 Mb/s+，共計(jì)100 Mb/s+，實(shí)際情況由于無(wú)線信號(hào)復(fù)雜性可能有較大波動(dòng)。

切換前小區(qū)總的速率450 Mb/s，切換過(guò)程中下降到300 Mb/s，基本穩(wěn)定。

移動(dòng)過(guò)程中，小區(qū)吞吐率平均在280 Mb/s左右。圖6是后臺(tái)統(tǒng)計(jì)出的各UE和小區(qū)總吞吐量的時(shí)序圖。

3.4 切換性能

切換是移動(dòng)通信一項(xiàng)非常關(guān)鍵的功能，是無(wú)線資源管理的重要部分，目前的研究顯示，F(xiàn)DD Massive MIMO可以與同頻、異頻的普通LTE小區(qū)進(jìn)行切換。

UE從FDD Massive MIMO小區(qū)PCI 51成功切換到同頻LTE小區(qū)278（頻點(diǎn)信息1650），切換后UE的TM模式從TM9更改為TM3。Massive MIMO同頻切換普通小區(qū)信令圖如圖7所示。

UE從LTE小區(qū)PCI 278（頻點(diǎn)信息400）成功切換到異頻FDD Massive MIMO小區(qū)PCI 51（頻點(diǎn)信息1650），UE的TM模式從TM3切換到TM9。普通小區(qū)異頻切換Massive MIMO信令圖如圖8所示。

圖6 Massive MIMO移動(dòng)性測(cè)試各UE速率變化圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Massive MIMO試驗(yàn)研究結(jié)果來(lái)看，該技術(shù)在不增加頻率、站址等資源的情況下，僅通過(guò)天線數(shù)的增加，就能提升3倍的網(wǎng)絡(luò)容量，對(duì)4.5G/5G時(shí)代移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)爆發(fā)式容量需求能夠發(fā)揮重要作用。當(dāng)前Massive MIMO面臨著設(shè)備成熟度、終端支持能力、成本、部署難度等方面的挑戰(zhàn)，但隨著設(shè)備廠家產(chǎn)品的逐步成熟及現(xiàn)網(wǎng)終端支持程度的提升，以及后續(xù)Massive MIMO與載波聚合、下行256QAM、上行64QAM等組合使用所帶來(lái)的卓越性能，使其具備全面提升熱點(diǎn)區(qū)域容量和業(yè)務(wù)體驗(yàn)的能力，Massive MIMO必將在未來(lái)發(fā)揮巨大的作用。

圖7 Massive MIMO同頻切換普通小區(qū)信令圖

圖8 普通小區(qū)異頻切換Massive MIMO信令圖

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Research on Pre5G Massive MIMO Technique

DONG Dilang
（China Unicom Fujian Branch, Quanzhou 362000, China）

The technical principles of large-scale array antenna, reference signal, transmission mode, beam forming and precoding adopted by Pre5G Massive MIMO were introduced. The techniques of MU-MIMO, beam forming,mobility and handoff of the Massive MIMO project in Quanzhou were discussed.

Pre5G Massive MIMO CSI-RS TM9 beam forming precoding

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.013

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0074-06

董帝烺. Pre5G Massive MIMO技術(shù)的研究[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(20)： 74-79.

2017-07-24

責(zé)任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

董帝烺：高級(jí)工程師，畢業(yè)于廈門大學(xué)通信工程專業(yè)，現(xiàn)任職于中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司福建省分公司運(yùn)維部泉州片區(qū)優(yōu)化中心，主要從事GSM、WCDMA、LTE的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化相關(guān)工作，進(jìn)行移動(dòng)網(wǎng)無(wú)線新技術(shù)的研究。