張會麗

（重慶信息通信研究院,重慶 401336）

0 引言

多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技術(shù)指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送和接收，從而改善通信質(zhì)量。MIMO包含多個層面的關(guān)鍵技術(shù)分支，比如分集技術(shù)、空間復(fù)用技術(shù)、預(yù)編碼技術(shù)、波束管理技術(shù)、多用戶MIMO 技術(shù)，通過采用不同技術(shù)可提升通信容量，提高頻譜利用率。作為LTE/5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，MIMO 的標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線一直備受關(guān)注。

1 R11[1-3] MIMO

歷經(jīng)三個版本R8－R10 的演進(jìn)，LTE 中的MIMO 技術(shù)日漸完善，其SU 與MU-MIMO 方案都已經(jīng)得到了較為充分的優(yōu)化，MIMO 方案研究與標(biāo)準(zhǔn)化過程中制定的導(dǎo)頻、測量與反饋機(jī)制也已經(jīng)為CoMP 等技術(shù)的引入提供了良好的基礎(chǔ)。

LTE-A R11[1-3]將下行MIMO 增強(qiáng)的目標(biāo)鎖定在CSI 反饋增強(qiáng)、控制信道增強(qiáng)以及COMP 三方面進(jìn)行規(guī)范定義。

1.1 新增傳輸模式TM10 和新增下行控制信令DCI 2D[2]

為支持多小區(qū)協(xié)作通信技術(shù)，改善小區(qū)邊緣用戶的通信質(zhì)量，提升系統(tǒng)的吞吐量，LTE-A R11新增一種傳輸模式TM10。LTE-A R11 設(shè)計了專用于TM 10 傳輸模式的控制信道格式DCI 2D，攜帶了資源分配、PUCCH 功率控制、調(diào)制編碼方式、PDSCH 資源位置、HARQ 進(jìn)程數(shù)、SRS 請求等消息。

1.2 控制信道增強(qiáng)（引入ePDCCH）[3]

為了充分利用多天線技術(shù)帶來的頻譜效率提升效果，并且保證良好的覆蓋性能，LTE-A R11 版本中引入了增強(qiáng)的下行控制信道設(shè)計。增強(qiáng)下行控制信號ePDCCH 在原始數(shù)據(jù)信道的位置發(fā)送，與數(shù)據(jù)信道頻分復(fù)用，以獲得波束賦形和分集增益。而且更細(xì)的顆粒度、更靈活的資源劃分，也更易于實現(xiàn)小區(qū)間控制信道的干擾協(xié)調(diào)。

1.3 COMP

R11 在R10 的基礎(chǔ)上引入CoMP 技術(shù)，通過同小區(qū)不同扇區(qū)間協(xié)調(diào)調(diào)度或多個扇區(qū)協(xié)同傳輸提高系統(tǒng)吞吐量，特別是小區(qū)邊緣用戶的吞吐量。LTE-A R11 中主要聚焦下行CoMP 技術(shù)。

CoMP 技術(shù)是對傳統(tǒng)單基站MIMO 的補(bǔ)充和擴(kuò)展，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范定義了3 種實現(xiàn)方式：“協(xié)調(diào)調(diào)度/波束賦形”和“動態(tài)傳輸點選擇”方式是用于同一個基站下不同扇區(qū)間的CoMP 操作的。這兩種方式在同一時刻只有一個接入點與用戶進(jìn)行通信，其中協(xié)調(diào)調(diào)度是指系統(tǒng)側(cè)根據(jù)干擾等信息在多個接入點間實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度；而動態(tài)傳輸點選擇是系統(tǒng)在不同時刻為終端選擇不同的傳輸點發(fā)送數(shù)據(jù)。LTE-A R11 中支持下行協(xié)調(diào)調(diào)度/波束賦形和動態(tài)傳輸點選擇?！奥?lián)合傳輸”方式則是單個用戶數(shù)據(jù)通過多個協(xié)作基站并行傳輸，基站間通過共享數(shù)據(jù)及信道回饋信息、調(diào)度信息等，聯(lián)合為目標(biāo)用戶提供服務(wù)。由于FDD 系統(tǒng)中聯(lián)合傳輸所需的信令設(shè)計復(fù)雜，LTE-A FDD 系統(tǒng)不支持聯(lián)合傳輸技術(shù)，而TD-LTE/TD-LTE-A系統(tǒng)可利用信道互易性實現(xiàn)聯(lián)合傳輸技術(shù)。

2 R12[4-6] MIMO

R12 進(jìn)一步優(yōu)化了多天線技術(shù)，包括下行4 天線傳輸技術(shù)增強(qiáng)，小區(qū)間多點協(xié)作技術(shù)增強(qiáng)，并研究了二維多天線的傳播信道模型，為后續(xù)垂直波束賦形和全維MIMO 傳輸技術(shù)研究做了準(zhǔn)備。

2.1 CoMP 增強(qiáng)

R12 支持不同基站間的協(xié)調(diào)調(diào)度/波束賦形，在基站間非理想回傳鏈路上傳輸有限的調(diào)度信息、資源分配信息和回傳鏈路時延等信息，實現(xiàn)基站間的多點協(xié)作傳輸。

2.2 垂直波束賦形（FD-MIMO）技術(shù)

隨著有源天線技術(shù)商業(yè)成熟度的提升，垂直維數(shù)字端口的開放與天線規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大逐漸成為可能，3GPP 從R12 階段開始針對3D 信道與場景模型問題進(jìn)行研究。早在LTE-A R11 版本中，對有源天線形態(tài)下的3D 波束賦形技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了初步討論，并在R11 的RAN4 工作組中開展了基于有源天線的基站RF 的EMC 研究項目。3D 波束賦形通過終端專用的天線下傾聚焦可有效地提升接收信號的信噪比，旨在減少小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾。但在LTE-A R11 標(biāo)準(zhǔn)中并未進(jìn)行規(guī)范定義，而是在LTE-A R12 中進(jìn)行初步規(guī)范和定義。利用有源天線，基站天線波束的下傾角可以自適應(yīng)調(diào)整，在水平維波束賦形的基礎(chǔ)上，垂直維也可以形成波束賦形，成為垂直波束賦形/FD-MIMO。該技術(shù)有利于在密集的城市環(huán)境中實現(xiàn)對不同樓層的室內(nèi)覆蓋，更好地實現(xiàn)小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)，以支持高階的多用戶MIMO。

R12 對3D-MIMO 的信道建模進(jìn)行了研究，形成了完整的3D-MIMO 信道模型。R13 主要研究小于64 端口的FD-MIMO 傳輸技術(shù)。

3 R13[7-9] MIMO

3GPP R13 開始引入FD-MIMO 的標(biāo)準(zhǔn)化研究，并引入CSI-RS 增強(qiáng)、SRS 容量等新功能。R13 研究中將FD-MIMO 的反饋增強(qiáng)分為3 類：基于非預(yù)編碼的CSI-RS 方法、基于波束賦形的CSI-RS 方法、基于非預(yù)編碼的CSI-RS 和波束賦形的CSI-RS 相混合的方法。下行支持16 發(fā)射天線端口與8 接收天線端口，支持水平方向和垂直方向的波束賦形；上行支持4 發(fā)射天線端口和4 接收天線端口，且上下行均支持MU-MIMO。

4 R14[10-12] MIMO

R13 中FD-MIMO 存在天線端口數(shù)量較少、CSI 反饋機(jī)制受限等缺陷，進(jìn)而3GPP Rel-14 提出eFD-MIMO，其下行支持32 發(fā)射天線端口，并引入CSI 報告增強(qiáng)機(jī)制，允許UE 支持非碼本CSI-RS、波束賦型CSI-RS 反饋和波束賦型CSI-RS 的混合使用。

5 R15[13-18] MIMO

大規(guī)模多天線技術(shù)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化高速發(fā)展階段，面臨諸多更加嚴(yán)苛的技術(shù)指標(biāo)需求，大規(guī)模多天線技術(shù)被認(rèn)為是未來蜂窩移動通信系統(tǒng)中非常重要的一項關(guān)鍵技術(shù)。R15 版本中大規(guī)模MIMO 下行最大支持16 流，上行支持8 流，相比傳統(tǒng)2 流系統(tǒng)提升頻率效率近8 倍。大規(guī)模MIMO 天線產(chǎn)品支持192 陣子排列，最大64 通道。R15 版本主要從以下幾方面進(jìn)行增強(qiáng)設(shè)計。

5.1 CSI 反饋設(shè)計

MU-MIMO 系統(tǒng)的性能依賴于CSI 的獲取精度以及預(yù)編碼與調(diào)度算法的優(yōu)化程度，因此CSI 的獲取是大規(guī)模多天線系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。R8～R14中定義了多種反饋模式以支持不同MIMO 傳輸方案的CSI 反饋，這種設(shè)計導(dǎo)致了傳輸方案以及CSI 反饋的分散和復(fù)雜化。為避免引入多種反饋模式和子模式，R15 設(shè)計了統(tǒng)一的CSI 反饋架構(gòu)，即通過將CSI 測量和CSI 反饋方式進(jìn)行解耦，將測量資源和測量操作與具體上報操作分離，以更加靈活的方式支持不同的MIMO 傳輸方案在多種場景和多種頻段的應(yīng)用。NR R15 系統(tǒng)定義了兩種類型的CSI 反饋方式，即常規(guī)精度和高精度方式。其中常規(guī)精度主要針對SU-MIMO 或MU-MIMO，而高精度方式主要針對MU-MIMO 傳輸?shù)脑鰪?qiáng)。R15 的高精度碼本采用線性合并方式構(gòu)建預(yù)編碼矩陣，能夠顯著提升CSI 精度，進(jìn)而極大改善MU-MIMO 的傳輸性能。

5.2 靈活的系統(tǒng)設(shè)計

（1）靈活可配置的CSI-RS 導(dǎo)頻設(shè)計：R15 對已有的CSI-RS 功能進(jìn)一步進(jìn)行擴(kuò)展，除支持CSI測量外，還支持波束測量、無限資源管理/無線鏈路監(jiān)視測量、時頻跟蹤等。

（2）引入PT-RS 參考信號：毫米波頻段的相位噪聲會對數(shù)據(jù)解調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此R15系統(tǒng)中專門設(shè)計了相位噪聲跟蹤參考信號（Phase Tracking Reference Signal，PT-RS），用于估計相鄰PFDM 符號之間相位噪聲引起的相位變化。

（3）前置DM-RS 設(shè)計：為了降低解碼實驗，R15 DM-RS 被放置在盡量靠前的位置，即放在一個時隙的第3 或第4 個PFDM 符號上，或者放置在所調(diào)度的PDSCH/PUSCH 數(shù)據(jù)區(qū)域的第一個OFDM 符號上。在此基礎(chǔ)上，為支持各種不同的移動速率，可以再配置1 個、2 個或3 個附加的DM-RS 符號。下行采用了趨于一致的設(shè)計。

5.3 R15 引入波束管理

作為LTE 和5G 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的MIMO 傳輸技術(shù)，可利用有源天線陣列技術(shù)形成大規(guī)模多天線陣列，提升系統(tǒng)傳輸性能。在R14 之前的版本被稱為FD-MIMO 的大規(guī)模多天線技術(shù)主要應(yīng)用于3GHz 以下的低頻段傳輸，采用全數(shù)字波束賦形技術(shù)，即每個天線端口的射頻鏈路都連接著獨立的基帶數(shù)字鏈路，最大可支持32 天線端口的波束賦形。

隨著低頻段頻譜資源變得稀缺，毫米波頻段能夠提供更大帶寬，成為5G 系統(tǒng)應(yīng)用的重要頻段。采用大規(guī)模的毫米波天線陣列，形成增益更大的賦形波束，克服傳播損耗，確保系統(tǒng)覆蓋。毫米波天線陣列尺寸有限，綜合考慮硬件復(fù)雜度、成本開銷以及功耗等因素，通常采用模擬波束與數(shù)字端口相結(jié)合的混合波束賦形?；旌喜ㄊx形結(jié)構(gòu)在數(shù)字波束賦形靈活性和模擬波束賦形的低復(fù)雜度間做了平衡，具有支撐多個數(shù)據(jù)流和多個UE同時賦形的能力。通過模擬波束賦形技術(shù)開展鏈路傳輸時，為了能夠獲得最佳的傳輸性能，通常需要采用發(fā)送/接收波束掃描的測量方式來搜索最佳的發(fā)送和接收波束對。

由于模擬波束在同一時間內(nèi)只能發(fā)送有限個賦形波束（波束數(shù)量取決于數(shù)字端口的數(shù)量，一個數(shù)字端口對應(yīng)一個波束），并且波束寬度較窄，通常只能覆蓋小區(qū)的一部分區(qū)域。為了實現(xiàn)整個小區(qū)的信號覆蓋，需要采用時域內(nèi)多個波束聯(lián)合掃描的傳輸方式，即在一個時間段內(nèi)通過輪詢的方式，每個波束依次接力覆蓋小區(qū)不同區(qū)域來實現(xiàn)小區(qū)的完整覆蓋。對于基站與UE 間的單播傳輸，當(dāng)基站與UE間的發(fā)送和接收波束對齊的時候，可以獲得最大的鏈路增益。讓基站與UE 的收發(fā)波束對齊的過程，在R15 標(biāo)準(zhǔn)中被稱為波束管理過程。

波束管理過程分為6 個方面的處理過程：波束掃描、波束選擇、波束測量、波束上報、波束切換、波束指示、波束恢復(fù)。波束掃描是通過掃描一個角度扇區(qū)內(nèi)的模擬波束來覆蓋扇區(qū)。波束選擇是指在單播的控制或數(shù)據(jù)傳輸過程中，基站和UE 需要選擇合適的波束方向，以確保最佳的鏈路傳輸質(zhì)量。波束測量是指當(dāng)無線鏈路建立以后，UE 和基站對多個收發(fā)波束進(jìn)行測量的過程。波束上報是指UE將波束測量結(jié)果上報給基站的過程。波束切換是指當(dāng)UE 位置移動、方向變化以及傳播路線受到遮擋，配對的收發(fā)波束對的傳輸質(zhì)量下降時，基站和UE可以選擇另外一對質(zhì)量更好的收發(fā)波束對，并進(jìn)行波束切換操作?；纠貌ㄊ甘玖鞒蹋ㄟ^下行控制信令將所發(fā)送的波束指示通知UE，便于UE 的接收與切換。波束恢復(fù)則是指所采用的收發(fā)波束對無法繼續(xù)保證傳輸質(zhì)量要求，所監(jiān)測的所有收發(fā)波束傳輸質(zhì)量無法滿足鏈路傳輸要求的情況下，重新建立基站與UE 間的連接的過程。

6 結(jié)語

本文介紹了從R11 版本至R15 版本的MIMO的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)路線，并從參考信號設(shè)計、MIMO反饋模式、MIMO 傳輸模式等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。面向5G NR（New Radio）系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO 將采用相對于LTE 而言更多的天線數(shù)量和更窄的波束，如何充分挖掘大規(guī)模MIMO 的潛在技術(shù)優(yōu)勢，是5G 大規(guī)模MIMO 的重要研究方向，其主要研究內(nèi)容大致包括：應(yīng)用場景與信道建模、信道狀態(tài)信息測量與反饋、參考信號設(shè)計、波束管理等。