Massive MIMO小區(qū)基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)研究

1 引言

在LTE系統(tǒng)中，協(xié)議定義了TM1到TM9共9種傳輸模式（Transmission Mode，簡(jiǎn)稱為TM模式），用于標(biāo)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(guò)高層信令在PDCCH信道下發(fā)，由系統(tǒng)半靜態(tài)配置。傳輸模式通過(guò)RRC信令下發(fā)給UE，每種傳輸模式有對(duì)應(yīng)的DCI格式，UE根據(jù)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(duì)應(yīng)不同的傳輸模式。到標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議Rel-10為止，LTE支持9種TM模式。它們的區(qū)別在于天線映射的不同特殊結(jié)構(gòu)，以及解調(diào)時(shí)所使用的不同參考信號(hào)（小區(qū)特定的參考信號(hào)或UE特定的參考信號(hào)），以及所依賴的不同CSI反饋類型[3]。

① TM 1：?jiǎn)翁炀€端口傳輸（使用port 0），應(yīng)用于單天線傳輸?shù)膱?chǎng)合。

② TM 2：發(fā)射分集模式，適用于小區(qū)邊緣信道情況比較復(fù)雜，干擾較大的情況，也可用于UE高速移動(dòng)的情況。使用2或4天線端口。發(fā)射分集是默認(rèn)的多天線傳輸模式，它通過(guò)在不同的天線上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(kāi)環(huán)空分復(fù)用，適合UE高速移動(dòng)的場(chǎng)景；使用2或4天線端口。

④ TM 4：閉環(huán)空間復(fù)用，適合信道條件較好的場(chǎng)合，用于提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；使用2或4個(gè)天線端口。

⑤ TM 5：MU-MIMO傳輸模式，主要用來(lái)提高小區(qū)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(qū)邊緣的情況，使用2或4天線端口。

⑦ TM 7：?jiǎn)瘟鞑ㄊx形，主要適用于小區(qū)邊緣的UE，能夠有效對(duì)抗干擾，只使用port 5。

⑧ TM 8：雙流波束賦形，可用于小區(qū)邊緣的UE，也可用于其它場(chǎng)景。使用port 7和port 8，每個(gè)port對(duì)應(yīng)一個(gè)UE特定的參考信號(hào)，這2個(gè)參考信號(hào)通過(guò)2個(gè)正交的OCC（orthogonal cover code）區(qū)分。在空分復(fù)用下，這2個(gè)OCC和對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)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(shù)據(jù)傳輸速率。使用port 7～14。

5G系統(tǒng)中普遍采用TDD MIMO（Multiple-input Multipleoutput，多入多出技術(shù)），它最大優(yōu)勢(shì)MU-BF（Multi-user Beamforming，多用戶配對(duì)波束賦形）是指允許多個(gè)UE在同一個(gè)時(shí)頻資源上配對(duì)，為每個(gè)UE傳輸1或2流數(shù)據(jù)，同時(shí)傳輸最多24流數(shù)據(jù)。其中，這些配對(duì)用戶要處于BF傳輸模式下才能進(jìn)行配對(duì)。對(duì)于非天選用戶，TM7傳輸模式進(jìn)行配對(duì)；對(duì)于天選用戶，TM8傳輸模式下，每個(gè)UE最多支持2流參與配對(duì)。eNodeB根據(jù)配對(duì)條件決定配對(duì)UE以及每個(gè)UE發(fā)送的下行數(shù)據(jù)流數(shù)，然后根據(jù)迫零準(zhǔn)則為對(duì)應(yīng)的下行數(shù)據(jù)流生成正交權(quán)值[5]。5G基站gNodeB利用這些正交權(quán)值分別對(duì)每個(gè)下行數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)符號(hào)與DMRS符號(hào)進(jìn)行加權(quán)，經(jīng)過(guò)加權(quán)的符號(hào)合并后從eNodeB天線端口發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)時(shí)頻資源上傳輸多個(gè)下行數(shù)據(jù)流，從而提高下行頻譜效率。因此 MIMO（以下簡(jiǎn)稱MM）容量性能的發(fā)揮依賴于Beamforming（以下簡(jiǎn)稱BF）用戶的比例，以及BF用戶在模式下的性能。

2 基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)原理

2.1 基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)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(guò)RRC信令下發(fā)給UE，UE根據(jù)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(duì)比。

表1 不同傳輸模式之間的傳輸方案對(duì)比[6]

正常情況下，UE傳輸模式隨信道質(zhì)量條件的變化選擇最優(yōu)頻譜效率的模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如圖1所示。

圖1 不同SINR下UE傳輸模式對(duì)應(yīng)頻譜效率對(duì)比

如圖2所示為TM7模式自適應(yīng)調(diào)整流程。當(dāng)MM小區(qū)負(fù)荷達(dá)到一定程度之后，讓小區(qū)內(nèi)所有用戶強(qiáng)制切換進(jìn)BF模式，提升MUBF配對(duì)概率，提升MM小區(qū)整體容量和用戶體驗(yàn)速率。

圖2 TM7模式自適應(yīng)調(diào)整流程

2.2 重載切換BF模式算法流程

在MM小區(qū)，當(dāng)用戶數(shù)較多的重載場(chǎng)景，為了獲取更高的小區(qū)空間復(fù)用層數(shù)（MUBF），需要考慮讓更多的用戶進(jìn)入BF模式，重載場(chǎng)景UE優(yōu)先切換到TM7模式，從而提升下行頻譜效率和用戶下行體驗(yàn)速率[7]。如圖3所示為重載切換BF模式算法流程。

（1）開(kāi)啟重載TMA增強(qiáng)算法開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)控小區(qū)的用戶數(shù)和負(fù)荷狀態(tài)。

（2）重載場(chǎng)景判斷

當(dāng)小區(qū)待調(diào)度用戶數(shù)大于設(shè)置的門限時(shí)，gNodeB會(huì)將UE的傳輸模式從TM2、TM3或TM9wPMI切換到TM7，以獲得更優(yōu)的配對(duì)增益，從而提升小區(qū)吞吐量?？膳鋵?duì)多層的場(chǎng)景下，用戶數(shù)門限設(shè)置的越低，UE越容易按TM7進(jìn)行MU-BF配對(duì)。

圖3 重載切換BF模式算法流程

當(dāng)小區(qū)待調(diào)度用戶數(shù)到達(dá)設(shè)置的門限且開(kāi)啟雙流天選用戶MU-BF時(shí)，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(duì)增益，從而提升小區(qū)吞吐量。

（3）統(tǒng)計(jì)重載場(chǎng)景下小區(qū)級(jí)TMA和目標(biāo)BF模式下的小區(qū)整體歷史頻譜效率，如果進(jìn)入BF模式進(jìn)行配對(duì)的頻譜效率更高，那么就執(zhí)行傳輸模式強(qiáng)制切換功能。

（4）自動(dòng)選擇使小區(qū)整體頻譜效率最優(yōu)的傳輸模式，執(zhí)行終端傳輸模式切換命令。

2.3 傳輸模式自適應(yīng)協(xié)同特性

① 入網(wǎng)傳輸模式優(yōu)化

開(kāi)啟TMA后，由于TM2切換到TM7需要時(shí)間，可能導(dǎo)致TM2 UE比例較高，最終導(dǎo)致下行配對(duì)層數(shù)偏低。為此可以把UE入網(wǎng)時(shí)的傳輸模式更改為TM7提升。

② 切換用戶BF模式門限優(yōu)化

同頻切換用戶的源和目標(biāo)小區(qū)的PCI Mod 3相同且開(kāi)啟了BF模式的場(chǎng)景下，提升切換用戶進(jìn)入BF模式的概率，提升下行吞吐率。

在明清之際女詩(shī)人走出閨門、個(gè)性張揚(yáng)的潮流下，商景蘭將畢生精力與才華堅(jiān)守于閨閣之內(nèi)，在視野狹深的閨閣題材中拓展了時(shí)空維度，融入了對(duì)精神家園的追尋與個(gè)體意義的深度思索，使其詩(shī)不論從思想內(nèi)蘊(yùn)還是藝術(shù)技巧上都較當(dāng)時(shí)活躍在詩(shī)壇上的年輕一代詩(shī)媛更為成熟，成為女詩(shī)人家族中開(kāi)拓深化閨閣詩(shī)境的翹楚。商景蘭的創(chuàng)作成就足以體現(xiàn)明清易代對(duì)于女性文學(xué)影響之深遠(yuǎn)，不管作者主動(dòng)或者被動(dòng)地改變創(chuàng)作的基調(diào)。畢竟面對(duì)這場(chǎng)空前的家國(guó)之變，女性已無(wú)法置身事外。

③ 4收和8收終端傳輸模式自適應(yīng)優(yōu)化

優(yōu)化4收終端在256QAM調(diào)制方式下的TM3 Rank2和TM9四流的切換門限。本優(yōu)化生效時(shí)，對(duì)于4收終端，在上述偏置的基礎(chǔ)上再額外增加一個(gè)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(huán)Rank3～Rank8[8]。

在假天選識(shí)別開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，優(yōu)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(shí)別出真天選終端和假天選終端。本優(yōu)化生效時(shí)，對(duì)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(chǔ)上再額外增加一個(gè)偏置(64QAM和256QAM下的偏置不同)，使得這類終端更容易進(jìn)入BF雙流。對(duì)于Massive MIMO小區(qū)，如果識(shí)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(jìn)入TM7進(jìn)行MUBF配對(duì)。

3 基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)增益影響分析

3.1 增益影響分析

當(dāng)同時(shí)滿足以下要求時(shí)，建議開(kāi)通重載UE切換到TM7優(yōu)化功能。否則，開(kāi)通該功能后無(wú)增益。

① RANK≥2的用戶占比大于70%的場(chǎng)景。

② 每小區(qū)下行激活用戶數(shù)2～4個(gè)。

eNodeB根據(jù)UE的無(wú)線信道質(zhì)量，自適應(yīng)為UE選擇合適的傳輸模式，以獲取最佳頻譜效率。改功能實(shí)施后，重載場(chǎng)景小區(qū)BF用戶比例會(huì)提升，MUBF配對(duì)層數(shù)也會(huì)增加。用戶下行頻譜效率和用戶下行體驗(yàn)速率會(huì)同步提升。

3.2 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

① 開(kāi)啟重載TMA但未開(kāi)啟入網(wǎng)傳輸模式控制時(shí)，由于TM2切換到TM7需要時(shí)間，可能導(dǎo)致TM2 UE比例較高，最終導(dǎo)致下行配對(duì)層數(shù)偏低。

③ 在多流用戶占比高的場(chǎng)景，小區(qū)空間復(fù)用層數(shù)會(huì)增加。

④ 由于重載TMA增強(qiáng)會(huì)進(jìn)行小區(qū)級(jí)傳輸模式的嘗試，因此開(kāi)啟重載TMA增強(qiáng)可能導(dǎo)致小區(qū)頻譜效率波動(dòng)。

⑤ 4R和8R終端傳輸模式自適應(yīng)優(yōu)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(yàn)速率。

4 基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)技術(shù)應(yīng)用效果

本特性在商用網(wǎng)很多局點(diǎn)已經(jīng)驗(yàn)證，后臺(tái)需要配置高負(fù)載識(shí)別門限：用戶數(shù)>高負(fù)載識(shí)別門限+偏置；分別測(cè)試輕載重載時(shí)的TM7比例和配對(duì)層數(shù)，以及頻譜效率等指標(biāo)，如圖4～圖7所示。隨著負(fù)荷的變化，TM7比例發(fā)生明顯的變化，輕載TM7比例低，重載基本90%以上用戶都進(jìn)BF模式做業(yè)務(wù)，配對(duì)層數(shù)也相應(yīng)提升。

圖4 RRC連接用戶數(shù)隨時(shí)間變化曲線

圖5 下行最大激活用戶變化曲線

對(duì)比用戶數(shù)變化趨勢(shì)可以看出TM7比例和配對(duì)層數(shù)隨負(fù)荷變化明顯。小區(qū)吞吐率隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖8所示，從圖中可以看出配對(duì)層數(shù)越高，小區(qū)吞吐率越高，說(shuō)明MM小區(qū)頻譜效率越高。

圖6 TM7占比隨時(shí)間變化曲線

圖8 小區(qū)吞吐率隨時(shí)間變化趨勢(shì)

5 總結(jié)

本文主要介紹了5G MM小區(qū)基于負(fù)荷的傳輸模式自適應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)原理以及實(shí)際應(yīng)用效果。輕載場(chǎng)景根據(jù)用戶實(shí)際信道環(huán)境選擇合適的傳輸模式，優(yōu)先保證單用戶體驗(yàn)速率最優(yōu)；重載場(chǎng)景，優(yōu)先保證MM小區(qū)容量，盡量讓用戶進(jìn)入TM7模式做業(yè)務(wù)，提升MUBF配對(duì)層數(shù)和配對(duì)概率，保證整體用戶體驗(yàn)最優(yōu)。本研究成果最終實(shí)現(xiàn)提升頻譜的利用率，最大化MM的商用價(jià)值。