3GPP中關(guān)于NR MIMO研究內(nèi)容及特點(diǎn)總結(jié)分析

5G-NR作為新的無線接入技術(shù)，以滿足廣泛的需求，包括增強(qiáng)的移動(dòng)帶寬、大規(guī)模機(jī)器式通信、超可靠和低時(shí)延通信等。新的無線接入技術(shù)能支持高達(dá)100GHz的寬頻率范圍。但對于6GHz以上的高頻通信，存在著明顯的路徑損耗和穿透損耗。解決這一問題的其中一個(gè)解決方案是部署大型天線陣列以獲得高波束賦形增益。因此，研究包括模擬/數(shù)字/混合波束形成在內(nèi)的各種波束賦形的增強(qiáng)型大規(guī)模MIMO在內(nèi)的新型無線電接口的多天線方案是十分必要的。

Massive MIMO是NR的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，和LTE MIMO相比，NR的天線數(shù)量大大增加。多天線通過波束賦形技術(shù)可以達(dá)到多用戶空分，提升頻譜利用率；提升能量利用率，滿足覆蓋需求（特別是高頻）。

LTE引入波束，能提升小區(qū)容量和頻譜利用率。而對于NR，整個(gè)空口無線設(shè)計(jì)基于波束，所有上下行信道的發(fā)送接收都是基于波束的。

1、NR-MIMO規(guī)范設(shè)計(jì)

1.1 NR-MIMO的主要特點(diǎn)

Massive MIMO是傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的擴(kuò)展和延伸，其特征（集中式Massive MIMO）在于以大規(guī)模天線陣的方式集中放置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線。該技術(shù)可以直接通過增加天線數(shù)增加系統(tǒng)容量。

基站天線數(shù)量遠(yuǎn)大于其能夠同時(shí)服務(wù)的終端天線數(shù)，形成了Massive MIMO無線通信系統(tǒng)，以達(dá)到更充分利用空間維度、提供更高的數(shù)據(jù)速率、大幅度提升頻譜效率的目的。

此外，隨著基站天線數(shù)的增加，Massive MIMO可以通過終端移動(dòng)的隨機(jī)性以及信道衰落的不相關(guān)性，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的主要特點(diǎn)總結(jié)如下三點(diǎn)：

（1）使毫米波頻譜上的蜂窩通信成為現(xiàn)實(shí)由于mmWave的引入，國際電信聯(lián)盟要求5G支持20Gbps的峰值速率。

（2）大大提高LTE以外的系統(tǒng)性能ITU組織的5G要求達(dá)到LTE頻譜效率的3倍。

（3）為5G實(shí)現(xiàn)提供足夠的靈活性mmWave的引入，充分考慮了部署場景、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)、需支持的頻譜帶（特別是高頻段）等。

1.2 頻率與路損的關(guān)系

5G-NR新接入技術(shù)可進(jìn)一步挖掘高頻段的使用，首先，路徑損耗與頻率變化的平方成正比，高頻段在較短距離內(nèi)就會產(chǎn)生較大的損耗，但傳播方向性強(qiáng)且衰減大，使得其抗干擾性較好、安全性高。其次，高頻段波長較小，元器件尺寸小，高頻段可用的頻譜帶寬大。

如圖1所示，以2.8GHz與28GHz為例，各向同性的TX發(fā)射源在球面上的RX接收面積2.8GHz遠(yuǎn)大于28GHz的，但28GHz的TX發(fā)射源可通過陣列模式，形成與2.8GHz相同的RX接收面積。

圖1 28GHz & 2.8GHz的定向與陣列覆蓋示意圖

以R=1m為例，2.8GHz的接收孔徑大小為9.135cm2，相對路徑損耗為-41.4dB，28GHz的接收孔徑大小為0.091cm2，相對路徑損耗為-61.4dB。-20dB為100倍的關(guān)系，與頻率的平方比相等，如表1所示。

表1 28GHz & 2.8GHz的接收孔徑及路損對比

對此，利用多天線可以克服較高頻率的路徑損耗，多個(gè)接收天線可有效增加孔徑大小，而多個(gè)發(fā)射天線可增加直接的能量傳輸。并且NR便于在無線接入的各個(gè)階段使用多天線技術(shù)，比如初始接入、隨機(jī)接入、尋呼、數(shù)據(jù)/控制信息、移動(dòng)性管理等。

1.2 頻率與路損的關(guān)系

LTE的設(shè)計(jì)是基于每個(gè)單元固定模擬波束進(jìn)行的，模擬波束在任意給定時(shí)間內(nèi)提供整個(gè)單元的全覆蓋。而NR是根據(jù)每個(gè)單元多個(gè)可操縱模擬波束的概念設(shè)計(jì)的，每個(gè)模擬波束在給定時(shí)間內(nèi)集中在單元中的一部分，以克服較大的路徑損耗。

數(shù)字波束賦形可以并行處理多路（比如100路）信號，可以并行獲得很多路不同的輸出信號，可以同時(shí)測量來自不同方向的信號。而數(shù)字波束賦形的幅度和相位權(quán)值作用于基帶信號，即發(fā)射端工作于進(jìn)入DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換）之前，接受端工作于ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）之后。因此，要求天線陣列數(shù)與射頻鏈一一對應(yīng)，即每條RF鏈路都需要一套獨(dú)立的DAC/ADC、混頻器、濾波器和功放器。由于LTE載波頻率相對較低，天線單元數(shù)量較少，使用數(shù)字波束賦形能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，但在NR的大規(guī)模陣列上使用則存在天線工藝復(fù)雜、功耗大等問題。

表2 模擬波束賦形與數(shù)字波束賦形的對比

而數(shù)字和模擬波束賦形的結(jié)合，或者說混合波束賦形，可以在不過度增加實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的情況下實(shí)現(xiàn)較大的賦形增益，如圖2所示。對于實(shí)際的大型天線系統(tǒng)，需要考慮成本與性能之間的平衡?；旌喜ㄊx形具有多個(gè)射頻鏈，每個(gè)射頻鏈與天線陣列相連，可以節(jié)省射頻鏈的數(shù)量，同時(shí)支持MIMO傳輸。在LTE中，混合波束賦形被考慮為固定模擬波束賦形。而在低于6GHz的NR中，由于信道往往具有更多的多徑，數(shù)字基帶預(yù)編碼仍然可以被認(rèn)為是波束賦形的主要形式。對于6GHz以上的NR，模擬波束賦形的移相器可設(shè)計(jì)為是自適應(yīng)變化的，以幫助控制窄波束獲得更好的波束賦形增益。

圖2 混合波束賦形原理圖

在較低的頻率下，單波束可用于提供較寬的覆蓋范圍。在較高的頻率下，可以使用多個(gè)波束來擴(kuò)大覆蓋范圍。如圖3所示。

對于不同的頻段和不同的場景，每個(gè)TRP（Transmission and Reception Point，發(fā)射接收點(diǎn)）可以考慮不同數(shù)量的波束。在高頻通信中，由于需要獲得較高的波束賦形增益，通常會考慮較窄的波束，因此會考慮更多的波束。對于不依賴波束賦形來實(shí)現(xiàn)覆蓋的系統(tǒng)，可以考慮采用單波束方案。在NR系統(tǒng)中，特別是考慮高頻時(shí)，為滿足NR的性能需求，TRP考慮支持到256TX。在NR仿真假設(shè)的相關(guān)討論中，70GHz TRP的收發(fā)天線數(shù)甚至可以達(dá)到1024個(gè)。

圖3 單波束與多波束的對比

2、NR-MIMO規(guī)格特點(diǎn)

3GPP的Rel-15版本，NR包括很多MIMO功能，這些功能有助于在基站使用大量天線元件，用于低于6GHz和高于6GHz的頻段。其中一些功能主要基于Rel-14的LTE，而其他功能則是由于一些新確定的部署場景而引入的，例如多屏陣列、用于高頻段的混合波束，特別是對多TRP或多屏操作的支持、靈活的CSI（Channel-state information，信道狀態(tài)信息）采集和波束管理、支持多達(dá)32個(gè)端口的I型（低分辨率）和II型（高分辨率）碼本以及用于MIMO傳輸?shù)撵`活RS（尤其是CSI-RS、DMRS和SRS）。而這些特點(diǎn)，NR-MIMO可以在以下幾個(gè)方面與LTE-MIMO區(qū)別開。

（1）II型碼本可以比最優(yōu)的Rel-14 LTE在平均用戶吞吐量方面，提供實(shí)質(zhì)性的提高（至少30%）；

（2）靈活的CSI采集和RS設(shè)計(jì)允許后續(xù)增強(qiáng)的可擴(kuò)展性；

（3）通過波束管理，NR-MIMO可在高頻段（>6GHz）運(yùn)行。

2.1?NR-MIMO與LTE-MIMO的對比

NR支持多層傳輸（單用戶MIMO），下行和上行傳輸方向的最大傳輸層分別為8層和4層，MU-MIMO（多用戶MIMO）情況下，上下行最大傳輸層可達(dá)12層。

在參考信號上，LTE具有“一刀切”的下行參考信號設(shè)CRS（Cell-Specific Reference Signal，單元特定參考信號），這限制了靈活的網(wǎng)絡(luò)部署，不高效，不適用于更高的頻譜（>6GHz），不適用于大規(guī)模天線的MIMO。

LTE的下行參考信號功能解調(diào)、同步、狀態(tài)信息信道測量均由CRS作用。

而NR下行鏈路參考信號針對特定角色進(jìn)行定制，可靈活適應(yīng)不同的部署場景和頻譜。

NR的下行參考信號DM-RS（Demodulation RS，解調(diào)參考信號）負(fù)責(zé)解調(diào)、TRS（Tracking RS，跟蹤參考信號）負(fù)責(zé)同步、CSI-RS（Channel-state information RS，信道狀態(tài)信息參考信號）負(fù)責(zé)信道狀態(tài)信息測量、PT-RS（Phase Tracking RS，相位跟蹤參考信號）負(fù)責(zé)相位噪聲補(bǔ)償。CSI-RS也可用于精細(xì)的頻率/時(shí)間跟蹤、移動(dòng)性測量和波束管理測量等。NR-MIMO與LTE-MIMO的相關(guān)對比如表3所示。

表3 NR-MIMO與LTE-MIMO的對比

2.2 上行賦形

上行鏈路支持基于碼本和基于非碼本的鏈路傳輸，基于碼本的是gNB（第5代基站）指示上行鏈路波束方向并預(yù)編碼到UE，基于非碼本的是gNB僅指示波束方向

基于碼本的上行傳輸：

（1）UE在不同波束方向發(fā)射多個(gè)SRS（Sounding RS）；

（2）gNB向UE指示波束方向（SRS索引）、秩（rank）和發(fā)送上行鏈路預(yù)編碼；

（3）UE按gNB指示發(fā)射上行鏈路。

基于非碼本的上行傳輸：

（1）UE在不同波束方向發(fā)射多個(gè)SRS；

（2）gNB向UE指示波束/預(yù)編碼方向和秩（均包含在SRS指標(biāo)中）；

（3）UE發(fā)射上行鏈路，以匹配所示SRS的方向。

2.3?下行賦形

下行中，用于波束管理的參考信號為下行方向空閑態(tài)初始接入的SSB（Synchronization Signal Block，同步信號塊），連接態(tài)時(shí)的CSI-RS或者SSB。根據(jù)L1-RSRP（Layer1-RSRP，物理層信號強(qiáng)度）測量選擇TX和RX波束，并且在收發(fā)器上使用波束掃描空間濾波器改善波束方向。相應(yīng)PDCCH、PDSCH和PUCCH的TX波束信息會指示給UE，該UE可以在接收端應(yīng)用適當(dāng)?shù)腞X波束。此外，還支持波束故障恢復(fù)，以實(shí)現(xiàn)從TX/RX波束失準(zhǔn)的快速恢復(fù)。UE可以識別波束偏差，并用新的候選波束索引告知gNB。

NR中支持兩種不同的CSI類型。I型適用于單用戶MIMO傳輸，上行鏈路開銷較小。II型用于多用戶MIMO傳輸，信道信息更細(xì)，因此上行開銷較大，如圖4所示。

I型碼本延續(xù)了LTE的雙級碼本方案，即預(yù)編碼矩陣分解為兩個(gè)矩陣的乘積：W=W1W2。其中，W1為寬帶信息，具體為由DFT（Discrete Fourier Transform，離散傅里葉變換）向量組成的波束集合，W2是子帶信息，從W1的波束集合中進(jìn)行波束選擇（每一列上只有兩個(gè)元素取值非零，其他都為零）以及實(shí)現(xiàn)極化方向之間的同相位合并。NR的II型碼本采用了線性合并方式構(gòu)造預(yù)編碼矩陣，能夠顯著地提升CSI精度進(jìn)而極大地改善了MU-MIMO傳輸?shù)男阅?。II型碼本在結(jié)構(gòu)上和I型碼本一致，即也表示成兩個(gè)矩陣的乘積形式。區(qū)別有兩點(diǎn)：一是II型碼本中W1由彼此正交的DFT波束組成；二是II型碼本中W2的作用是對W1中的波束進(jìn)行線性合并，各合并系數(shù)為非橫模的復(fù)數(shù)。Type II碼本的構(gòu)造方式如下圖所示。

圖中所示的配置有13個(gè)正交的DFT波束，W1從中選擇了4個(gè)DFT波束（b0，b1，b2，b3）。W2中的4個(gè)合并系數(shù)對這4個(gè)DFT波束進(jìn)行線性合并。合并系數(shù)分為幅度（a0=1，a1，a2，a3）和相位（P0=1，p1，p2，p3）兩個(gè)部分分別反饋。

圖4 NR中兩種不同的信道狀態(tài)信息類型

3、NR的多波束操作

NR中的波束管理機(jī)制，總體流程主要包括：波束掃描（發(fā)送參考信號的波束，在預(yù)定義的時(shí)間間隔進(jìn)行空間掃描）、波束測量/判決（UE測量參考信號，選擇最好的波束）、波束報(bào)告（對于UE，上報(bào)波束測量結(jié)果）、波束指示（基站指示UE選擇指定的波束）、波束失敗恢復(fù)（包括波束失敗檢測，發(fā)現(xiàn)新波束，波束恢復(fù)流程）。

3.1?多波束初始接入

對于多波束的初始接入，以三級波束選擇過程為例，流程如圖5所示：

（1）波束選擇的第一級是寬波束的選擇，類似于基于CSI-RSRP的虛擬單元選擇。測量可以基于RS，與用于獲取下行鏈路的CSI信息的CSI-RS類似。根據(jù)設(shè)計(jì)，多個(gè)寬波束可供選擇，寬波束可以由寬模擬波束或混合波束形成；

（2）第二級是用于窄模擬波束或混合波束選擇，這與LTE FD-MIMO（Full Dimension-MIMI，全維度MIMO）的Class B（基于波束賦形的CSI-RS）（K>1，波束數(shù)>1）中的CRI選擇（UE上報(bào)CRI來指名要選擇的合適波束）相似；

（3）第三級波束選擇用于數(shù)字波束選擇，類似于PMI（Precoding Matrix Indicator，預(yù)編碼矩陣指示）選擇。

圖5 多波束管理的初始接入及通道對接

對于下行波束掃描SSB，在一個(gè)SSB發(fā)送的半幀（5ms）中，SSB的發(fā)送個(gè)數(shù)最大定義為Lmax，當(dāng)頻率<=3GHz時(shí)，Lmax個(gè)數(shù)為4個(gè)；頻率介于3GHz~6GHZ之間時(shí)，Lmax個(gè)數(shù)為8個(gè)；頻率>6GHz時(shí)，Lmax個(gè)數(shù)為64個(gè)。

3.2 波束失敗恢復(fù)

由于多波束操作時(shí)波束寬度較窄，網(wǎng)絡(luò)與終端之間的鏈路容易發(fā)生波束故障。當(dāng)終端與網(wǎng)絡(luò)之間連接存在障礙塊時(shí)，終端使用非競爭性的PRACH資源請求新的波束分配，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)終端的波束故障恢復(fù)請求重新分配波束，最后建立新的波束對鏈路。

波束失敗恢復(fù)的總體流程包括：

（1）RRC高層下發(fā)波束失敗檢測/恢復(fù)相關(guān)配置參數(shù)

（2）UE在連接態(tài)下的波束失敗檢測

（3）新波束的發(fā)現(xiàn)

（4）波束恢復(fù)請求

（5）完成波束恢復(fù)

4、結(jié)束語

本文結(jié)合5G NR Massive MIMO技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)了3GPP中關(guān)于NR MIMO研究內(nèi)容及特點(diǎn)。3GPP Rel-15版本基本完成5G NR中對MIMO要求的內(nèi)容，下一步Rel-16將對Rel-15版本進(jìn)行完善和增強(qiáng)，旨在進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能、降低開銷和時(shí)延。

參考文獻(xiàn)

[1]?3GPP TSG RAN#81 RP-182067. Revised WID: Enhancements on MIMO for NR[S].2018.

[2] 3GPP TSG RAN#89 RP-1709232. WF on Type I and II CSI codebooks[S].2018.

[3] 3GPP TSG RAN#86 R1-166089. Beam Management Procedure for NR MIMO[S].2016.

[4] 3GPP TR 21.915. Release description; Release 15 V1.0.0[S].2019.

[5] 3GPP TR 38.912. Study on New Radio (NR) access technology V15.0.0[S].2018.
編輯：hfy