陳丹丹（北京郵電大學(xué)，北京 100876），梁 輝（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）
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摘要：5G的無線接入部分以新空口(NR——New Radio)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進行擴展，高效連接海量物聯(lián)網(wǎng)、支持新型關(guān)鍵業(yè)務(wù)服務(wù)，達(dá)到低時延、高可靠、高安全性的新水平。作為5G NR關(guān)鍵性技術(shù)之一，Massive MIMO在基站端使用遠(yuǎn)超激活終端數(shù)的天線，實現(xiàn)3D波束成型，大幅提高頻譜利用效率、網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋率。首先介紹Massive MIMO系統(tǒng)模型，其次總結(jié)3GPP Rel-15版本中Massive MIMO標(biāo)準(zhǔn)化研究內(nèi)容，最后討論Massive MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進方向。
關(guān)鍵字：5G；新空口；Massive MIMO
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.003
引言
智能終端的迅速普及導(dǎo)致無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求的爆炸式增長，從而使無線接入網(wǎng)絡(luò)暴露出頻譜資源短缺以及頻譜效率亟待提升等嚴(yán)重問題。研究表明Massive MIMO系統(tǒng)在性能上取得重大突破，能顯著地提高通信容量、頻譜效率、能量效率和吞吐率。5G新空口（NR——New Radio）中Massive MIMO具備了一些 傳統(tǒng)MIMO技術(shù)所無法比擬的物理特性和性能優(yōu)勢，主要包括以下幾個方面。
a）高復(fù)用增益和分集增益。天線數(shù)目的增多，最直接的影響是為傳播信道提供了更多的復(fù)用增益和分集增益，使得系統(tǒng)在數(shù)據(jù)速率和鏈路可靠性上擁有更好的性能。
b）信道漸進正交性。隨著基站天線數(shù)目的大幅增加，不同用戶之間的信道向量將呈現(xiàn)出漸近正交特性，用戶間的干擾可以被有效地消除。
c）信道硬化。當(dāng)基站天線數(shù)量很多時，信道的小尺度衰落效果被平均化，顯著降低信號處理復(fù)雜度。
d）高能量效率。相干合并可以實現(xiàn)非常高的陣列增益，基站可以將能量聚焦到用戶所在的空間方向上，通過大量的天線陣列增益，輻射功率可以降低一個數(shù)量級或更多。e）高空間分辨率。隨著天線陣列規(guī)模趨于無限大，基站側(cè)形成的波束將變得非常細(xì)窄，具有極高的方向選擇性及波束賦形增益。
1、Massive MIMO系統(tǒng)模型
Massive MIMO利用三維（3D）信道中垂直和水平 維度的空間分辨率，發(fā)射細(xì)窄的指向性波束來區(qū)分不同空間分布的用戶，提高系統(tǒng)性能。3D Massive MIMO 系統(tǒng)的信道模型如圖1所示。
圖1 3D Massive MIMO系統(tǒng)的信道模型示意圖
基站側(cè)配置了二維均勻面陣結(jié)構(gòu)（2DURA）天線，天線數(shù)目為N×M，其中N為水平維度的天線振子數(shù)目，M為垂直維度的天線振子數(shù)目；系統(tǒng)中共K個用戶，每個用戶均采用單天線結(jié)構(gòu)配置?；緜?cè)到第k個用戶的信道響應(yīng)矩陣如式（1）所示。
2、Massive MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究
Massive MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作主要考慮多天線傳輸方案、信道反饋、波束管理與參考信號設(shè)計等部分。下面將針對這幾方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作分別介紹Rel-15中Massive MIMO標(biāo)準(zhǔn)化研究進展情況。
2.1 多天線傳輸方案
2.1.1 下行傳輸機制
在LTE中，標(biāo)準(zhǔn)主要聚焦于閉環(huán)MIMO傳輸，由于在NR中要考慮更高速度下的魯棒性，因此NR同時支持開環(huán)傳輸和閉環(huán)傳輸。LTE中開環(huán)和閉環(huán)傳輸是分開設(shè)計的，可以根據(jù)需求和客觀條件多次轉(zhuǎn)換。在NR中，由于傳輸環(huán)境更加復(fù)雜，這種轉(zhuǎn)換可能跟不上環(huán)境的變化，同時考慮到分開設(shè)計難以同時達(dá)到傳輸效率和魯棒性要求，因此在NR中，3GPP在同一個框架里設(shè)計2種傳輸方案，同時系統(tǒng)傳輸還考慮半開環(huán)傳輸方案，支持傳輸方案間的動態(tài)切換。
NR中由于系統(tǒng)承載的數(shù)據(jù)較多，帶寬進一步加寬，不同相干帶寬上的信道特性區(qū)別較大，因此提出了頻率選擇性預(yù)編碼，即在不同的帶寬上采取不同的編碼方式。為了比較清晰地分割帶寬，3GPP提出了把調(diào)度的PRB分為若干個組（PRG）的思想，在每個組內(nèi)采取相同的預(yù)編碼方式，這種分組技術(shù)即PRB綁定。
PDSCH的傳輸方案支持最多8個傳輸層，天線端口為1000~1011；當(dāng)只有1個碼字時支持1~4層傳輸，有2個碼字時支持5~8層傳輸；同時支持下行DMRS空間復(fù)用（SU-MIMO/MU-MIMO），至少對于SU-MIMO支持8個正交DMRS端口，對于MU-MIMO支持12個正交DMRS端口。
2.1.2 上行傳輸機制
NR中上行傳輸機制支持4層傳輸，考慮到反饋開銷和性能，支持基于碼本傳輸、基于非碼本傳輸、多樣性/差異性傳輸3種方案，對于多樣性傳輸方案，可以考慮DFT-S-OFDM、CDD、precodercycling、天線端口切換、SFBC和STBC，同時支持傳輸方案間的動態(tài)切換。
基于碼本傳輸方案，NR考慮支持頻率選擇性預(yù)編碼，頻率選擇性預(yù)編碼可以更匹配信道，使系統(tǒng)獲得更好的性能增益?；诜谴a本的傳輸UE可以根據(jù)DCI中的寬帶SRI字段確定其PUSCH預(yù)編碼和傳輸?shù)燃墶；贑P-OFDM和DFT-S-OFDM的傳輸都支持PRB綁定?；贑P-OFDM的傳輸，PRB綁定支持基于碼本的傳輸和基于非碼本的傳輸；對于基于DFTS-OFDM的傳輸，PRB綁定大小是整個調(diào)度帶寬。
2.2 信道反饋
如何準(zhǔn)確地獲取信道狀態(tài)信息也是MassiveMI?MO中重要的一環(huán)。CSI可以使通信系統(tǒng)適應(yīng)當(dāng)前的信道條件，在多天線系統(tǒng)中為高可靠性、高速率的通信提供保障。用戶設(shè)備根據(jù)基站發(fā)送的導(dǎo)頻信息（CSI-RS）測量得出信道狀態(tài)信息（CSI），然后反饋給基站。NR支持周期、半周期、非周期CSI上報，CSI-RS資源可以是周期性的、半周期的或非周期的。表1顯示了CSI上報配置和CSI-RS資源配置的支持情況，以及如何為每個CSI-RS資源配置觸發(fā)CSI報告。
表1 CSI上報的觸發(fā)/激活
NR支持2種CSI反饋方式：TypeI和TypeII反饋。TypeI反饋利用波束選擇原理，其開銷比TypeII低。TypeII反饋利用波束組合原理，其性能增益比TypeI大，但是其反饋開銷顯著增加。2種類型反饋方案設(shè)計目的不同。SU-MIMO不需要極高分辨率的CSI反饋，因為SU-MIMO主要依賴于UE來抑制層間干擾。因此，在寬帶和/或子帶反饋中選擇單個波束的方案（如在Rel-10到Rel-13雙級碼本設(shè)計中），或者每層使用單個寬帶系數(shù)的方案就足夠。另一方面，高分辨率CSI反饋對MU-MIMO操作非常有益，由于MU-MIMO在eNB處使用多天線從空間上抑制不同UE間的干擾，因此更高分辨率的CSI反饋能讓eNB處的波束成形更加精確，從而顯著改善MU-MIMO性能。
TypeI反饋為基于碼本的PMI反饋，并且PMI碼本至少有2級，如W=W1W2，其中W1碼本搜索的第1級波束是寬帶的、長期的，W2碼本搜索的第2級波束可以是子帶的、短期的，同時遞送每個子帶的量化系數(shù)。
TypeII反饋具有更高空間分辨率，支持以下3種方案。
方案1：基于線性組合碼本的預(yù)編碼反饋。圖2給出了雙級碼本的反饋方式W=W1W2，其中W1由一組從二維DFT波束中提取出的L個正交波束組成，并且L個波束的集合是由過采樣的二維DFT波束組成，Lε{2，3，4}（L是可配置的），且波束選擇是寬帶的。W2內(nèi)L個波束為W1內(nèi)的常見波束組合。組合系數(shù)是子帶上報的相位量化，波束幅度量化可以被配置為寬帶或子帶上報。
圖2 基于線性組合碼本的CSI反饋
方案2：協(xié)方差矩陣反饋。信道協(xié)方差矩陣的反 饋是長期的、寬帶的，且是一種顯示反饋，協(xié)方差矩陣 的量化/壓縮版本是由UE上報的，其中，量化/壓縮基 于一組M個正交基向量，上報可以包括M個基向量的 指示和一組系數(shù)。
方案3：混合CSI反饋。TypeII中方案1或方案2 CSI碼本可以協(xié)同LTE-Class-B-type-likeCSI反饋使 用，其中LTE-Class-B-type-likeCSI反饋可以基于 TypeI或TypeIICSI碼本。
2.3 波束管理
NR支持的高頻帶中自由空間的路徑損耗增加， 信道或信號的傳輸依賴于更高的方向性鏈路。Mas? siveMIMO中要求對準(zhǔn)每個用戶的波束更細(xì)、精確度 更高。由于用戶（UE）會發(fā)生移動、旋轉(zhuǎn)和阻塞的情 況，方向性的波束需要實時更新來保持收發(fā)點（TRP ——TransmissionandReceptionPoint）和UE間的鏈路 質(zhì)量。波束管理的過程包括上下行波束訓(xùn)練選擇最 優(yōu)波束和波束恢復(fù)2個方面。
2.3.1 上下行波束訓(xùn)練
波束管理過程是為上下行的數(shù)據(jù)傳輸選擇方向 性波束對鏈路，首先需要選定用于上下行波束管理的 參考信號（RS）。然后定義用于波束選擇的流程，運用 選定的參考信號進行波束訓(xùn)練獲得用于傳輸?shù)牟ㄊ?對鏈路（BPL——BeamPairLink）。圖3為上下行波束 訓(xùn)練過程。
下行波束訓(xùn)練具體步驟如下：
P-1：該過程包含TRP端/UE端對波束的掃描，且產(chǎn)生收發(fā)端的粗波束。
圖3 上下行波束訓(xùn)練過程
P-2：該過程是在P-1的基礎(chǔ)上實現(xiàn)TRP端波束的細(xì)化，UE使用選中的粗波束對TRP端的細(xì)波束進行測量，找到TRP端的最佳發(fā)端波束。
P-3：該過程是對UE波束的細(xì)化，在波束測量的過程中TRP端使用P-2選好的細(xì)波束來對應(yīng)細(xì)化UE端的收端波束。
上行波束訓(xùn)練具體步驟：
U-1：該過程在不同的UE發(fā)端波束上進行TRP檢測，選擇UE發(fā)端波束或TRP收端波束，同時進行上行隨機接入。
U-2：該過程在不同的TRP收端波束上進行TRP檢測，改變或選擇TRP收端波束，實現(xiàn)TRP收端波束的細(xì)化。
U-3：該過程在相同的TRP收端波束上進行TRP檢測，改變或選擇UE發(fā)端波束，實現(xiàn)UE發(fā)端波束的細(xì)化。
2.3.2波束恢復(fù)
波束賦形（BF——BeamForming）初始接入過程叫做波束訓(xùn)練，數(shù)據(jù)傳輸時的BF叫做波束追蹤。當(dāng)UE移動、旋轉(zhuǎn)和波束阻塞時，需要進行波束追蹤。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸過程中波束質(zhì)量下降時，需要進行波束恢復(fù)。波束恢復(fù)過程包括波束失敗檢測、新的候補波束確定、波束失敗恢復(fù)請求傳輸以及UE接收波束失敗恢復(fù)請求響應(yīng)4個過程。
a）波束失敗檢測：UE監(jiān)控用于檢測波束失敗的參考信號，檢測是否滿足波束失敗觸發(fā)條件。若檢測結(jié)果滿足波束失敗觸發(fā)條件，則宣布波束失敗；若檢測結(jié)果未滿足波束失敗出發(fā)條件，數(shù)據(jù)傳輸正常進行。
b）確定新的候補波束：在數(shù)據(jù)傳輸過程中UE監(jiān)控參考信號將用于尋找新的候補波束。新的候補波束可以在之前上報的波束組中進行選擇，也可以在原始波束附近進行搜索。如果在時間窗內(nèi)找不到候補波束，則需要啟動小區(qū)選擇和隨機接入過程。
c）波束失敗恢復(fù)請求傳輸：在檢測到波束失敗后，用戶向基站發(fā)送波束失敗恢復(fù)請求信息告知基站。用于傳輸波束恢復(fù)請求的信道有3類：基于競爭的PRACH、基于非競爭的PRACH和PUCCH。
d）波束失敗恢復(fù)請求響應(yīng)：接收到波束失敗恢復(fù)請求信令后，基站應(yīng)對UE做出響應(yīng)，尋找新的候選波束或者重新建立傳輸鏈路。
2.4 參考信號
參考信號可以用于信道的估計和測量、eNB端或UE端的相干解調(diào)和檢測、小區(qū)搜索等，其主要包括：CSI參考信號CSI-RS、用于用戶傳輸數(shù)據(jù)接收解調(diào)的DMRS、用于多用戶調(diào)度的探測參考信號SRS、相位追蹤參考信號PT-RS和時頻追蹤參考信號TRS。QCL的空間參數(shù)則描述了在接收端觀察到的RS天線端口的空間信道特性。
a）CSI-RS：NR中CSI-RS至少有3個用途：移動性過程、波束管理和CSI采集。CSI-RS的設(shè)計至少支持CDM-2、CDM-4和CDM-8。CDM圖樣可以根據(jù)測量目標(biāo)（如CSI獲得、波束管理、時頻追蹤）和全功率利用率進行配置。NR支持的CSI-RS傳輸周期為{5，10，20，40，80，160，320，640}個時隙。
b）DMRS：解調(diào)參考信號DM-RS用于PDSCH解調(diào)，并且與PUSCH或PUCCH共占1個資源區(qū)。其中front-loadDMRS映射在1個或2個相鄰的OFDM符號，additionalDMRS可以被配置在時隙的后部分。同時，DMRS的設(shè)計需要考慮很多因素如DMRS序列、復(fù)用、調(diào)制和端口等。對于NR中的信道測量和干擾測量，CSI-RS和DMRS可以在1個共享RE圖樣中傳輸。
c）SRS：SRS是用于多用戶調(diào)度的探測參考信號。SRS是一個可選擇的參考信號，為eNodeB的資源調(diào)度提供參考。NR支持LTESRS序列，通過使用LTESRS序列生成式，NR的SRS序列支持多達(dá)272個PRB，其中272個PRB對應(yīng)于NR支持的最大帶寬，而且NRSRS序列的設(shè)計是基于ZC序列的。在傳輸方面，SRS允許在一個CC內(nèi)的部分頻帶之間切換。NRSRS支持4PRB多路復(fù)用的探測帶寬，為了提高UE小區(qū)邊緣的上行信道評估質(zhì)量，在NR中考慮部分帶寬的符號級或時隙級的跳頻。
d）PT-RS：PT-RS的設(shè)計是基于相位追蹤的，在高信噪比區(qū)域，高MCS需要PT-RS。在頻域內(nèi)，分布式PT-RS是PT-RS結(jié)構(gòu)的默認(rèn)設(shè)置。PTRS結(jié)構(gòu)支持由一個UE接收的多路正交復(fù)用的PT-RS和數(shù)據(jù)傳輸，并且支持PTRS端口與DMRS端口之間關(guān)聯(lián)。
e）TRS：TRS候選參考信號包括通用控制資源集或公共控制搜索空間的RS解調(diào)器、CSI-RS、專用RS、基于PDCH的DMRS、MRS、PT-RS和PSS/SSS。TRS設(shè)計的目的是根據(jù)不同的參數(shù)設(shè)置對性能進行評估，以滿足性能要求。TRS的設(shè)計包含4種跟蹤功能：良好的時間跟蹤、頻率跟蹤、路徑延遲傳播和多普勒傳播。TRS是由UE特定管理的，NR支持用于多TRP傳輸?shù)腡RS，如果UE支持多任務(wù)/多面板部署，則可以配置多個TRS。
f）QCL：NR中QCL的空間參數(shù)描述了在接收端觀察到的RS天線端口的空間信道特性，如果可以從一個天線端口上傳輸符號的信道中推斷出另一個天線端口上傳遞符號的信道屬性，那么2個天線端口是準(zhǔn)共定位的。QCL支持的功能有波束管理、頻率/時間偏移估計、RRM管理等。對于QCL，NR支持每個PDSCH至少有1個或2個DMRS天線端口組，同時NR支持QCL在傳輸載波和帶寬方面的DL假設(shè)。
3、Massive MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進方向
3GPPRel-15版本基本完成5GNR中對MassiveMIMO要求的內(nèi)容，下一步Rel-16將對Rel-15版本進行完善和增強，旨在提高系統(tǒng)性能、降低開銷和時延。
盡管Rel-15中指定的TypeIICSI優(yōu)于Rel-14LTE的增強CSI，但與理想的CSI相比，仍然存在一些重要但可消除的性能差距，特別是對于多用戶MIMO，可增強空間很大，因此Rel-16需要研究TypeIICSI反饋的性能擴展，而且TypeIICSI反饋開銷巨大，高達(dá)500bit，對系統(tǒng)來說是一個巨大負(fù)擔(dān)，所以還需考慮性能和開銷之間的平衡。
Rel-15NRMIMO暫時支持multi-TRP/panel操作，但支持的特性僅限于標(biāo)準(zhǔn)透明的傳輸操作和少量TRPs/panel。下一步multi-TRP/panel在傳輸方面需要提高可靠性和魯棒性，研究如何增強下行鏈路控制信令、上行控制信令和參考信號，支持非相干聯(lián)合傳輸?shù)姆旨桨负蛢杉塂CI控制，同時考慮控制信道的multi-TRP/panel傳輸。
雖然多波束操作規(guī)范在Rel-15（對超過6Ghz頻段的操作）中已經(jīng)做了很多說明，但是波束失敗恢復(fù)和DL/UL波束選擇方案仍可以提高魯棒性，降低開銷和延遲。多波束操作方面的增強內(nèi)容（主要針對FR2頻段）包括：增強在Rel-15中指定的UL和/或DL傳輸波束選擇，以減少延遲和開銷；研究基于multi-panel操作的UL發(fā)射波束選擇，促進特定面板的波束選擇；支持更先進的波束分組方案，實現(xiàn)毫米波高階傳輸；基于Rel-15標(biāo)準(zhǔn)為SCell指定一個波束失效恢復(fù)流程；說明L1-RSRQ或L1-SINR的測量和上報。
4、結(jié)束語
本文結(jié)合5GNRMassiveMIMO技術(shù)特點，總結(jié)了3GPP中MassiveMIMO研究內(nèi)容及進展，并分析了下一步標(biāo)準(zhǔn)演進方向。雖然MassiveMIMO技術(shù)仍面臨許多理論和實現(xiàn)問題的挑戰(zhàn)，如為實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，MassiveMIMO技術(shù)對硬件復(fù)雜度的要求更高，消耗的功率更大，以及導(dǎo)頻污染等問題，但是隨著相關(guān)研究的持續(xù)深入，這些問題都能找到解決方案，推動MassiveMIMO技術(shù)走向?qū)嵱谩?/p>
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作者簡介：
陳丹丹，碩士，主要從事5G標(biāo)準(zhǔn)化和物理層關(guān)鍵技術(shù)的研究工作；
梁輝，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，工程師，碩士，主要研究方向為5G、無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。
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