5G MIMO大规模天线设计概述

引言

空间自由度是多天线系统获取性能增益的源泉。

• 作为LTE系统物理层最重要的支撑技术，自R8引入了空间复用、发射分集、波束赋形及多用户MIMO（MU-MIMO）之后，为MIMO维度的扩展奠定了理论基础。在后续版本中对MIMO技术的增强都是LTE标准化最重要的工作之一。在R12之前，无论是支持的端口数、单UE最大流数还是多UE的正交端口数都得到了显著的扩展，而且多天线技术也逐渐扩展到了多小区、协作化的场景。但是，这一阶段所考虑的方案主要针对二维空间信道，还不能实现对垂直维信道空间自由度的利用。
• ３ＧＰＰ从R１２阶段开始针对３Ｄ信道与场景模型问题的研究，并在R１３、１４及后续版本中对全维度ＭＩＭＯ（ＦＤ－ＭＩＭＯ）技术进行了标准化。在５ＧＮＲ的第一个版本R１５中，针对大规模天线技术的研究与标准化也一直是３ＧＰＰ的一个重要工作方向。

注：
MU-MIMO和SU-MIMO分别指的是同时和基站联系的用户数是一个还是多个。如果MIMO系统仅用于增加一个用户的速率，即占用相同时频资源的多个并行的数据流发给同一个用户或从同一个用户发给基站，称之为单用户MIMO（SU-MIMO）。

• 比如下行调度如果是多个用户共用20M带宽的100个PRB（:Physical Resource Block 物理资源块），就是MU-MIMO。
• 再比如上行比较常见的，一个用户使用2个天线向基站发射，基站同一时刻只接受这个用户信号，则是比较典型的SU-MIMO。

1. 天线规模的影响

①对大规模天线系统的部署和维护有重要影响，实用有源天线系统中使用的数字通道数不会超过64个。

②对设备的复杂度有重要影响，规模增大使MIMO计算更加复杂。

解决方法：降维处理。适用于全数字序列或者数模混合阵列。

③规模扩大对信道状态信息（CSI）的获取和参考信号的设计带来挑战。随着天线规模的扩大，CSI测量精度和参考信号、反馈信息开销之间的矛盾将更加突出。这一问题与导频设计、码本设计、反馈机制设计有直接联系。

2. 频段的影响

问题：由于６ＧＨｚ以下频段日益紧张，在R１５中，系统可以支持最高频率到５２.６ＧＨｚ，在后续版本5G支持频段将会逐渐扩展至100GHz。高频段和低频段传播特性存在明显差异。高频段时，信号的传播会受到很多非理想因素的影响，产生衰落。这些不利影响随频率升高恶化。

• 大规模天线技术带来的高增益以及灵活的空域预处理方式为高频段系统克服不利的传播条件、提升链路余量、保证覆盖范围提供了非常重要的技术手段。

• 更高频段意味着在相同天线数的条件下，天线尺寸可以更小，即在相同的尺寸约束下，频段越高则可以容纳的天线数可以更多。因此频段提高对设备小型化、部署便利化和天线规模的扩大有利。

• 对于大量天线的使用，NR设计采用基于面板（Ｐａｎｅｌ）的设计。一个面板是若干个天线阵子及相应的射频通道和部分基带功能模块进行集成得到的一个基本模块。可以对多个面板进行组合形成所需的阵列形态。

• 出于成本和复杂度的考虑，大规模天线系统不可能为所有的天线都配置完整的射频与基带通道。

  当系统带宽较大时，全数字阵列中大量的ＤＡＣ／ＡＤＣ以及高维度的基带运算会给系统的成本、复杂度和散热等实际问题带来难以想象的挑战。

  因此，数模混合波束赋形甚至是单纯的模拟赋形将是高频段大规模天线的主要实现形式。但是，接收机无法通过数字域的参考信号估计出多有收发天线对之间的完整MIMO信道矩阵。因此，在数字域的ＣＳＩ测量与反馈机制之外，模拟域波束赋形的操作需要一套波束搜索、跟踪、上报与恢复等过程。上述过程在标准化研究中被称为波束管理以及波束失效恢复。

• 为了获得较高的模拟赋形增益以及对抗路径损耗，模拟波束所能覆盖的角度比较窄，只能涵盖角度和时延比较小的一组直射与反射路径，因而显著影响赋形后的大尺度统计特性。如果时延扩展降低，信道的频域选择性程度将会相应的降低。这种情况下，影响频率选择性调度的增益和频率选择性预编码的颗粒度。

• 此外，毫米波频段的相位噪声会对数据解调产生严重影响，因此需要考虑特殊的参考信号设计用于估计相位噪声。相位噪声跟踪导频（PT-RS）用来估计相邻OFDM符号之间由于相位噪声而导致的相位变化。

3. 多用户MIMO技术的影响

• 多用户MU-MIMO技术时提升系统频带利用率的一种重要手段。由于ＵＥ侧的天线数与并发数据流数的比率更低，并且干扰信号的信道矩阵一般难以估计，ＭＵ－ＭＩＭＯ系统的性能更加依赖于CSI的获取精度以及后续的预编码与调度算法的优化程度。

• ＮＲ系统中设置了两种CSI反馈方式：

  ①　常规精度（TypeⅠ），针对单用户或多用户MIMO；

  ②　高精度（TypeⅡ），针对多用户MIMO传输的增强。采用了线性合并方式构造预编码矩阵，能够显著提升ＣＳＩ精度，进而极大的提升ＭＵ－ＭＩＭＯ系统的性能。

4. 系统设计灵活性的影响

面对复杂多样的应用场景以及更为丰富的业务类型，面向５Ｇ的大规模天线系统设计需要充分考虑各项系统参数配置的灵活性，并尽可能在各个层面降低处理时延。体现在以下诸多方面。

①　灵活可配置的CSI-RS导频设计。基本所有参考信号的具体功能、发送的时频位置、带宽都是可以配置的。CSI-RS支持的端口数包括１、２、４、８、１２、１６、２４、３２。CSI-RS的图样由基本图样聚合得到，并且支持多种基本图样和ＣＤＭ（码分复用）类型。

②　前置DMRS设计：为降低译码时延，ＤＭＲＳ的位置被放置在尽量靠前的位置，即放在一个时隙的第三个或者第四个OFDM符号上，或者放置在所调度的PDSCH/PUSCH数据区域的第一个OFDM符号上。上下行ＤＭＲＳ采用趋于一致的设计，目的时方便上下行交叉干扰的测量和抑制。ＮＲ支持两种类型的ＤＭＲＳ，分别支持最多１２个正交ＤＭＲＳ端口和８个正交ＤＭＲＳ端口.

③　灵活的CSI反馈框架：统一的反馈框架，能够同时支持CSI反馈和波束测量上报。所有与反馈相关的参数都可以设置。网络设备可以根据实际的需要配置相应的参数。相比之下，ＬＴＥ需要多种反馈模式，并且将反馈和传输模式绑定，因而灵活度欠佳。