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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

面向5G新空口的Massive MIMO技术标准进展及演进

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/13 14:37 )

陈丹丹(北京邮电大学,北京 100876),梁 辉(中国联通网络技术研究院,北京 100048)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部

摘要:5G的无线接入部分以新空口(NR——New Radio)标准为基础进行扩展,高效连接海量物联网、支持新型关键业务服务,达到低时延、高可靠、高安全性的新水平。作为5G NR关键性技术之一,Massive MIMO基站端使用远超激活终端数的天线,实现3D波束成型,大幅提高频谱利用效率、网络容量和覆盖率。首先介绍Massive MIMO系统模型,其次总结3GPP Rel-15版本中Massive MIMO标准化研究内容,最后讨论Massive MIMO技术标准演进方向。

关键字:5G;新空口;Massive MIMO

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.003

引言

智能终端的迅速普及导致无线数据业务需求的爆炸式增长,从而使无线接入网络暴露出频谱资源短缺以及频谱效率亟待提升等严重问题。研究表明Massive MIMO系统在性能上取得重大突破,能显著地提高通信容量、频谱效率、能量效率和吞吐率。5G新空口(NR——New Radio)中Massive MIMO具备了一些 传统MIMO技术所无法比拟的物理特性和性能优势,主要包括以下几个方面。

a)高复用增益和分集增益。天线数目的增多,最直接的影响是为传播信道提供了更多的复用增益和分集增益,使得系统在数据速率和链路可靠性上拥有更好的性能。

b)信道渐进正交性。随着基站天线数目的大幅增加,不同用户之间的信道向量将呈现出渐近正交特性,用户间的干扰可以被有效地消除。

c)信道硬化。当基站天线数量很多时,信道的小尺度衰落效果被平均化,显著降低信号处理复杂度。

d)高能量效率。相干合并可以实现非常高的阵列增益,基站可以将能量聚焦到用户所在的空间方向上,通过大量的天线阵列增益,辐射功率可以降低一个数量级或更多。e)高空间分辨率。随着天线阵列规模趋于无限大,基站侧形成的波束将变得非常细窄,具有极高的方向选择性及波束赋形增益。

1、Massive MIMO系统模型

Massive MIMO利用三维(3D)信道中垂直和水平 维度的空间分辨率,发射细窄的指向性波束来区分不同空间分布的用户,提高系统性能。3D Massive MIMO 系统的信道模型如图1所示。

图1 3D Massive MIMO系统的信道模型示意图

基站侧配置了二维均匀面阵结构(2DURA)天线,天线数目为N×M,其中N为水平维度的天线振子数目,M为垂直维度的天线振子数目;系统中共K个用户,每个用户均采用单天线结构配置。基站侧到第k个用户的信道响应矩阵如式(1)所示。

表示基站侧第n个水平、第m个垂直发 送天线到用户侧单天线的信道响应信息。3D信道矩阵的每一行就代表水平维度的信道信息,每一列就代表垂直维度的信道信息。

(1≤i≤N)表示基站侧第i个水平天线阵列到用户侧单天线的信道信息,可称为水平信道;

(1≤j≤M)表示基站侧第j个垂直天线阵列到用户侧单天线的信道信息,可称为垂直信道。

2、Massive MIMO技术标准化研究

Massive MIMO技术标准化工作主要考虑多天线传输方案、信道反馈、波束管理与参考信号设计等部分。下面将针对这几方面的标准化工作分别介绍Rel-15中Massive MIMO标准化研究进展情况。 

2.1 多天线传输方案

2.1.1 下行传输机制

LTE中,标准主要聚焦于闭环MIMO传输,由于在NR中要考虑更高速度下的鲁棒性,因此NR同时支持开环传输和闭环传输。LTE中开环和闭环传输是分开设计的,可以根据需求和客观条件多次转换。在NR中,由于传输环境更加复杂,这种转换可能跟不上环境的变化,同时考虑到分开设计难以同时达到传输效率和鲁棒性要求,因此在NR中,3GPP在同一个框架里设计2种传输方案,同时系统传输还考虑半开环传输方案,支持传输方案间的动态切换。

NR中由于系统承载的数据较多,带宽进一步加宽,不同相干带宽上的信道特性区别较大,因此提出了频率选择性预编码,即在不同的带宽上采取不同的编码方式。为了比较清晰地分割带宽,3GPP提出了把调度的PRB分为若干个组(PRG)的思想,在每个组内采取相同的预编码方式,这种分组技术即PRB绑定。

PDSCH的传输方案支持最多8个传输层,天线端口为1000~1011;当只有1个码字时支持1~4层传输,有2个码字时支持5~8层传输;同时支持下行DMRS空间复用(SU-MIMO/MU-MIMO),至少对于SU-MIMO支持8个正交DMRS端口,对于MU-MIMO支持12个正交DMRS端口。 

2.1.2 上行传输机制

NR中上行传输机制支持4层传输,考虑到反馈开销和性能,支持基于码本传输、基于非码本传输、多样性/差异性传输3种方案,对于多样性传输方案,可以考虑DFT-S-OFDM、CDD、precodercycling、天线端口切换、SFBC和STBC,同时支持传输方案间的动态切换。

基于码本传输方案,NR考虑支持频率选择性预编码,频率选择性预编码可以更匹配信道,使系统获得更好的性能增益。基于非码本的传输UE可以根据DCI中的宽带SRI字段确定其PUSCH预编码和传输等级。基于CP-OFDM和DFT-S-OFDM的传输都支持PRB绑定。基于CP-OFDM的传输,PRB绑定支持基于码本的传输和基于非码本的传输;对于基于DFTS-OFDM的传输,PRB绑定大小是整个调度带宽。

2.2 信道反馈

如何准确地获取信道状态信息也是MassiveMI?MO中重要的一环。CSI可以使通信系统适应当前的信道条件,在多天线系统中为高可靠性、高速率的通信提供保障。用户设备根据基站发送的导频信息(CSI-RS)测量得出信道状态信息(CSI),然后反馈给基站。NR支持周期、半周期、非周期CSI上报,CSI-RS资源可以是周期性的、半周期的或非周期的。表1显示了CSI上报配置和CSI-RS资源配置的支持情况,以及如何为每个CSI-RS资源配置触发CSI报告。

表1 CSI上报的触发/激活

NR支持2种CSI反馈方式:TypeI和TypeII反馈。TypeI反馈利用波束选择原理,其开销比TypeII低。TypeII反馈利用波束组合原理,其性能增益比TypeI大,但是其反馈开销显著增加。2种类型反馈方案设计目的不同。SU-MIMO不需要极高分辨率的CSI反馈,因为SU-MIMO主要依赖于UE来抑制层间干扰。因此,在宽带和/或子带反馈中选择单个波束的方案(如在Rel-10到Rel-13双级码本设计中),或者每层使用单个宽带系数的方案就足够。另一方面,高分辨率CSI反馈对MU-MIMO操作非常有益,由于MU-MIMO在eNB处使用多天线从空间上抑制不同UE间的干扰,因此更高分辨率的CSI反馈能让eNB处的波束成形更加精确,从而显著改善MU-MIMO性能。

TypeI反馈为基于码本的PMI反馈,并且PMI码本至少有2级,如W=W1W2,其中W1码本搜索的第1级波束是宽带的、长期的,W2码本搜索的第2级波束可以是子带的、短期的,同时递送每个子带的量化系数。

TypeII反馈具有更高空间分辨率,支持以下3种方案。

方案1:基于线性组合码本的预编码反馈。图2给出了双级码本的反馈方式W=W1W2,其中W1由一组从二维DFT波束中提取出的L个正交波束组成,并且L个波束的集合是由过采样的二维DFT波束组成,Lε{2,3,4}(L是可配置的),且波束选择是宽带的。W2内L个波束为W1内的常见波束组合。组合系数是子带上报的相位量化,波束幅度量化可以被配置为宽带或子带上报。

图2 基于线性组合码本的CSI反馈

方案2:协方差矩阵反馈。信道协方差矩阵的反 馈是长期的、宽带的,且是一种显示反馈,协方差矩阵 的量化/压缩版本是由UE上报的,其中,量化/压缩基 于一组M个正交基向量,上报可以包括M个基向量的 指示和一组系数。

方案3:混合CSI反馈。TypeII中方案1或方案2 CSI码本可以协同LTE-Class-B-type-likeCSI反馈使 用,其中LTE-Class-B-type-likeCSI反馈可以基于 TypeI或TypeIICSI码本。

2.3 波束管理

NR支持的高频带中自由空间的路径损耗增加, 信道或信号的传输依赖于更高的方向性链路。Mas? siveMIMO中要求对准每个用户的波束更细、精确度 更高。由于用户(UE)会发生移动、旋转和阻塞的情 况,方向性的波束需要实时更新来保持收发点(TRP ——TransmissionandReceptionPoint)和UE间的链路 质量。波束管理的过程包括上下行波束训练选择最 优波束和波束恢复2个方面。

2.3.1 上下行波束训练

波束管理过程是为上下行的数据传输选择方向 性波束对链路,首先需要选定用于上下行波束管理的 参考信号(RS)。然后定义用于波束选择的流程,运用 选定的参考信号进行波束训练获得用于传输的波束 对链路(BPL——BeamPairLink)。图3为上下行波束 训练过程。

下行波束训练具体步骤如下:

P-1:该过程包含TRP端/UE端对波束的扫描,且产生收发端的粗波束。

图3 上下行波束训练过程

P-2:该过程是在P-1的基础上实现TRP端波束的细化,UE使用选中的粗波束对TRP端的细波束进行测量,找到TRP端的最佳发端波束。

P-3:该过程是对UE波束的细化,在波束测量的过程中TRP端使用P-2选好的细波束来对应细化UE端的收端波束。

上行波束训练具体步骤:

U-1:该过程在不同的UE发端波束上进行TRP检测,选择UE发端波束或TRP收端波束,同时进行上行随机接入。

U-2:该过程在不同的TRP收端波束上进行TRP检测,改变或选择TRP收端波束,实现TRP收端波束的细化。

U-3:该过程在相同的TRP收端波束上进行TRP检测,改变或选择UE发端波束,实现UE发端波束的细化。

2.3.2波束恢复

波束赋形(BF——BeamForming)初始接入过程叫做波束训练,数据传输时的BF叫做波束追踪。当UE移动、旋转和波束阻塞时,需要进行波束追踪。当数据传输过程中波束质量下降时,需要进行波束恢复。波束恢复过程包括波束失败检测、新的候补波束确定、波束失败恢复请求传输以及UE接收波束失败恢复请求响应4个过程。

a)波束失败检测:UE监控用于检测波束失败的参考信号,检测是否满足波束失败触发条件。若检测结果满足波束失败触发条件,则宣布波束失败;若检测结果未满足波束失败出发条件,数据传输正常进行。

b)确定新的候补波束:在数据传输过程中UE监控参考信号将用于寻找新的候补波束。新的候补波束可以在之前上报的波束组中进行选择,也可以在原始波束附近进行搜索。如果在时间窗内找不到候补波束,则需要启动小区选择和随机接入过程。

c)波束失败恢复请求传输:在检测到波束失败后,用户向基站发送波束失败恢复请求信息告知基站。用于传输波束恢复请求的信道有3类:基于竞争的PRACH、基于非竞争的PRACH和PUCCH。

d)波束失败恢复请求响应:接收到波束失败恢复请求信令后,基站应对UE做出响应,寻找新的候选波束或者重新建立传输链路。

2.4 参考信号

参考信号可以用于信道的估计和测量、eNB端或UE端的相干解调和检测、小区搜索等,其主要包括:CSI参考信号CSI-RS、用于用户传输数据接收解调的DMRS、用于多用户调度的探测参考信号SRS、相位追踪参考信号PT-RS和时频追踪参考信号TRS。QCL的空间参数则描述了在接收端观察到的RS天线端口的空间信道特性。

a)CSI-RS:NR中CSI-RS至少有3个用途:移动性过程、波束管理和CSI采集。CSI-RS的设计至少支持CDM-2、CDM-4和CDM-8。CDM图样可以根据测量目标(如CSI获得、波束管理、时频追踪)和全功率利用率进行配置。NR支持的CSI-RS传输周期为{5,10,20,40,80,160,320,640}个时隙。

b)DMRS:解调参考信号DM-RS用于PDSCH解调,并且与PUSCH或PUCCH共占1个资源区。其中front-loadDMRS映射在1个或2个相邻的OFDM符号,additionalDMRS可以被配置在时隙的后部分。同时,DMRS的设计需要考虑很多因素如DMRS序列、复用、调制和端口等。对于NR中的信道测量和干扰测量,CSI-RS和DMRS可以在1个共享RE图样中传输。

c)SRS:SRS是用于多用户调度的探测参考信号。SRS是一个可选择的参考信号,为eNodeB的资源调度提供参考。NR支持LTESRS序列,通过使用LTESRS序列生成式,NR的SRS序列支持多达272个PRB,其中272个PRB对应于NR支持的最大带宽,而且NRSRS序列的设计是基于ZC序列的。在传输方面,SRS允许在一个CC内的部分频带之间切换。NRSRS支持4PRB多路复用的探测带宽,为了提高UE小区边缘的上行信道评估质量,在NR中考虑部分带宽的符号级或时隙级的跳频。

d)PT-RS:PT-RS的设计是基于相位追踪的,在高信噪比区域,高MCS需要PT-RS。在频域内,分布式PT-RS是PT-RS结构的默认设置。PTRS结构支持由一个UE接收的多路正交复用的PT-RS和数据传输,并且支持PTRS端口与DMRS端口之间关联。

e)TRS:TRS候选参考信号包括通用控制资源集或公共控制搜索空间的RS解调器、CSI-RS、专用RS、基于PDCH的DMRS、MRS、PT-RS和PSS/SSS。TRS设计的目的是根据不同的参数设置对性能进行评估,以满足性能要求。TRS的设计包含4种跟踪功能:良好的时间跟踪、频率跟踪、路径延迟传播和多普勒传播。TRS是由UE特定管理的,NR支持用于多TRP传输的TRS,如果UE支持多任务/多面板部署,则可以配置多个TRS。

f)QCL:NR中QCL的空间参数描述了在接收端观察到的RS天线端口的空间信道特性,如果可以从一个天线端口上传输符号的信道中推断出另一个天线端口上传递符号的信道属性,那么2个天线端口是准共定位的。QCL支持的功能有波束管理、频率/时间偏移估计、RRM管理等。对于QCL,NR支持每个PDSCH至少有1个或2个DMRS天线端口组,同时NR支持QCL在传输载波和带宽方面的DL假设。

3、Massive MIMO技术标准演进方向 

3GPPRel-15版本基本完成5GNR中对MassiveMIMO要求的内容,下一步Rel-16将对Rel-15版本进行完善和增强,旨在提高系统性能、降低开销和时延。

尽管Rel-15中指定的TypeIICSI优于Rel-14LTE的增强CSI,但与理想的CSI相比,仍然存在一些重要但可消除的性能差距,特别是对于多用户MIMO,可增强空间很大,因此Rel-16需要研究TypeIICSI反馈的性能扩展,而且TypeIICSI反馈开销巨大,高达500bit,对系统来说是一个巨大负担,所以还需考虑性能和开销之间的平衡。

Rel-15NRMIMO暂时支持multi-TRP/panel操作,但支持的特性仅限于标准透明的传输操作和少量TRPs/panel。下一步multi-TRP/panel在传输方面需要提高可靠性和鲁棒性,研究如何增强下行链路控制信令、上行控制信令和参考信号,支持非相干联合传输的分集方案和两级DCI控制,同时考虑控制信道的multi-TRP/panel传输。

虽然多波束操作规范在Rel-15(对超过6Ghz频段的操作)中已经做了很多说明,但是波束失败恢复和DL/UL波束选择方案仍可以提高鲁棒性,降低开销和延迟。多波束操作方面的增强内容(主要针对FR2频段)包括:增强在Rel-15中指定的UL和/或DL传输波束选择,以减少延迟和开销;研究基于multi-panel操作的UL发射波束选择,促进特定面板的波束选择;支持更先进的波束分组方案,实现毫米波高阶传输;基于Rel-15标准为SCell指定一个波束失效恢复流程;说明L1-RSRQ或L1-SINR的测量和上报。

4、结束语

本文结合5GNRMassiveMIMO技术特点,总结了3GPP中MassiveMIMO研究内容及进展,并分析了下一步标准演进方向。虽然MassiveMIMO技术仍面临许多理论和实现问题的挑战,如为实现高速率数据传输,MassiveMIMO技术对硬件复杂度的要求更高,消耗的功率更大,以及导频污染等问题,但是随着相关研究的持续深入,这些问题都能找到解决方案,推动MassiveMIMO技术走向实用。

参考文献:

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[5] LARSSONEG,EDFORSO,TUFVESSONF,etal.MassiveMIMO fornextgenerationwirelessSystems[J] .IEEECommunicationsMag? azine,2013(2):186-195.

作者简介:

陈丹丹,硕士,主要从事5G标准化和物理层关键技术的研究工作;

梁辉,毕业于北京邮电大学,工程师,硕士,主要研究方向为5G、无线网络虚拟化等。

作者:陈丹丹,梁 辉   来源:《邮电设计技术》

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