新無線接入技術NR-MIMO賦形研究

作者：陳嘉明 2021-02-23 19:07:42

Massive MIMO是NR的一項關鍵技術，和LTE MIMO相比，NR的天線數量大大增加。多天線通過波束賦形技術可以達到多用戶空分，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)。

Labs 導讀

5G-NR作為新的無線接入技術，以滿足廣泛的需求，包括增強的移動帶寬、大規模機器式通信、超可靠和低時延通信等。新的無線接入技術能支持高達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/數字/混合波束形成在內的各種波束賦形的增強型大規模MIMO在內的新型無線電接口的多天線方案是十分必要的。

LTE引入波束，能提升小區容量和頻譜利用率。而對于NR，整個空口無線設計基于波束，所有上下行信道的發送接收都是基于波束的。

1、NR-MIMO規范設計

1.1 NR-MIMO的主要特點

Massive MIMO是傳統MIMO技術的擴展和延伸，其特征(集中式Massive MIMO)在于以大規模天線陣的方式集中放置數十根甚至數百根以上天線。該技術可以直接通過增加天線數增加系統容量。

基站天線數量遠大于其能夠同時服務的終端天線數，形成了Massive MIMO無線通信系統，以達到更充分利用空間維度、提供更高的數據速率、大幅度提升頻譜效率的目的。

此外，隨著基站天線數的增加，Massive MIMO可以通過終端移動的隨機性以及信道衰落的不相關性，利用不同用戶間信道的近似正交性降低用戶間干擾，實現多用戶空分復用。

Massive MIMO的主要特點總結如下三點：

使毫米波頻譜上的蜂窩通信成為現實由于mmWave的引入，國際電信聯盟要求5G支持20Gbps的峰值速率。
大大提高LTE以外的系統性能ITU組織的5G要求達到LTE頻譜效率的3倍。
為5G實現提供足夠的靈活性mmWave的引入，充分考慮了部署場景、網絡實現、需支持的頻譜帶(特別是高頻段)等。

1.2 頻率與路損的關系

5G-NR新接入技術可進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就會產生較大的損耗，但傳播方向性強且衰減大，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發射源在球面上的RX接收面積2.8GHz遠大于28GHz的，但28GHz的TX發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，多個接收天線可有效增加孔徑大小，而多個發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階段使用多天線技術，比如初始接入、隨機接入、尋呼、數據/控制信息、移動性管理等。

1.2 頻率與路損的關系

LTE的設計是基于每個單元固定模擬波束進行的，模擬波束在任意給定時間內提供整個單元的全覆蓋。而NR是根據每個單元多個可操縱模擬波束的概念設計的，每個模擬波束在給定時間內集中在單元中的一部分，以克服較大的路徑損耗。

數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，可以同時測量來自不同方向的信號。而數字波束賦形的幅度和相位權值作用于基帶信號，即發射端工作于進入DAC(數模轉換)之前，接受端工作于ADC(模數轉換)之后。因此，要求天線陣列數與射頻鏈一一對應，即每條RF鏈路都需要一套獨立的DAC/ADC、混頻器、濾波器和功放器。由于LTE載波頻率相對較低，天線單元數量較少，使用數字波束賦形能夠充分發揮其優勢，但在NR的大規模陣列上使用則存在天線工藝復雜、功耗大等問題。

表2 模擬波束賦形與數字波束賦形的對比

而數字和模擬波束賦形的結合，或者說混合波束賦形，可以在不過度增加實現復雜度的情況下實現較大的賦形增益，如圖2所示。對于實際的大型天線系統，需要考慮成本與性能之間的平衡。混合波束賦形具有多個射頻鏈，每個射頻鏈與天線陣列相連，可以節省射頻鏈的數量，同時支持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，數字基帶預編碼仍然可以被認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計為是自適應變化的，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，可以使用多個波束來擴大覆蓋范圍。如圖3所示。

對于不同的頻段和不同的場景，每個TRP(Transmission and Reception Point，發射接收點)可以考慮不同數量的波束。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現覆蓋的系統，可以考慮采用單波束方案。在NR系統中，特別是考慮高頻時，為滿足NR的性能需求，TRP考慮支持到256TX。在NR仿真假設的相關討論中，70GHz TRP的收發天線數甚至可以達到1024個。

圖3 單波束與多波束的對比

2、NR-MIMO規格特點

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，信道狀態信息)采集和波束管理、支持多達32個端口的I型(低分辨率)和II型(高分辨率)碼本以及用于MIMO傳輸的靈活RS(尤其是CSI-RS、DMRS和SRS)。而這些特點，NR-MIMO可以在以下幾個方面與LTE-MIMO區別開。

II型碼本可以比最優的Rel-14 LTE在平均用戶吞吐量方面，提供實質性的提高(至少30%);
靈活的CSI采集和RS設計允許后續增強的可擴展性;
通過波束管理，NR-MIMO可在高頻段(>6GHz)運行。

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12層。

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

LTE的下行參考信號功能解調、同步、狀態信息信道測量均由CRS作用。

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

NR的下行參考信號DM-RS(Demodulation RS，解調參考信號)負責解調、TRS(Tracking RS，跟蹤參考信號)負責同步、CSI-RS(Channel-state information RS，信道狀態信息參考信號)負責信道狀態信息測量、PT-RS(Phase Tracking RS，相位跟蹤參考信號)負責相位噪聲補償。CSI-RS也可用于精細的頻率/時間跟蹤、移動性測量和波束管理測量等。NR-MIMO與LTE-MIMO的相關對比如表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：

UE在不同波束方向發射多個SRS(Sounding RS);
gNB向UE指示波束方向(SRS索引)、秩(rank)和發送上行鏈路預編碼;
UE按gNB指示發射上行鏈路。

基于非碼本的上行傳輸：

UE在不同波束方向發射多個SRS;
gNB向UE指示波束/預編碼方向和秩(均包含在SRS指標中);
UE發射上行鏈路，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初始接入的SSB(Synchronization Signal Block，同步信號塊)，連接態時的CSI-RS或者SSB。根據L1-RSRP(Layer1-RSRP，物理層信號強度)測量選擇TX和RX波束，并且在收發器上使用波束掃描空間濾波器改善波束方向。相應PDCCH、PDSCH和PUCCH的TX波束信息會指示給UE，該UE可以在接收端應用適當的RX波束。此外，還支持波束故障恢復，以實現從TX/RX波束失準的快速恢復。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，因此上行開銷較大，如圖4所示。

I型碼本延續了LTE的雙級碼本方案，即預編碼矩陣分解為兩個矩陣的乘積：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的波束集合中進行波束選擇(每一列上只有兩個元素取值非零，其他都為零)以及實現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造預編碼矩陣，能夠顯著地提升CSI精度進而極大地改善了MU-MIMO傳輸的性能。II型碼本在結構上和I型碼本一致，即也表示成兩個矩陣的乘積形式。區別有兩點：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中的波束進行線性合并，各合并系數為非橫模的復數。Type II碼本的構造方式如下圖所示。圖中所示的配置有13個正交的DFT波束，W1從中選擇了4個DFT波束(b0，b1，b2，b3)。W2中的4個合并系數對這4個DFT波束進行線性合并。合并系數分為幅度(a0=1，a1，a2，a3)和相位(P0=1，p1，p2，p3)兩個部分分別反饋。

圖4 NR中兩種不同的信道狀態信息類型

3、NR的多波束操作

NR中的波束管理機制，總體流程主要包括：波束掃描(發送參考信號的波束，在預定義的時間間隔進行空間掃描)、波束測量/判決(UE測量參考信號，選擇最好的波束)、波束報告(對于UE，上報波束測量結果)、波束指示(基站指示UE選擇指定的波束)、波束失敗恢復(包括波束失敗檢測，發現新波束，波束恢復流程)。

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：

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。根據設計，多個寬波束可供選擇，寬波束可以由寬模擬波束或混合波束形成;
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>1)中的CRI選擇(UE上報CRI來指名要選擇的合適波束)相似;
第三級波束選擇用于數字波束選擇，類似于PMI(Precoding Matrix Indicator，預編碼矩陣指示)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SSB發送的半幀(5ms)中，SSB的發送個數最大定義為Lmax，當頻率<=3GHz時，Lmax個數為4個;頻率介于3GHz~6GHZ之間時，Lmax個數為8個;頻率>6GHz時，Lmax個數為64個。

3.2 波束失敗恢復

由于多波束操作時波束寬度較窄，網絡與終端之間的鏈路容易發生波束故障。當終端與網絡之間連接存在障礙塊時，終端使用非競爭性的PRACH資源請求新的波束分配，網絡根據終端的波束故障恢復請求重新分配波束，最后建立新的波束對鏈路。

波束失敗恢復的總體流程包括：

RRC高層下發波束失敗檢測/恢復相關配置參數
UE在連接態下的波束失敗檢測
新波束的發現
波束恢復請求
完成波束恢復

4、結束語

本文結合5G NR Massive MIMO技術特點，總結了3GPP中關于NR MIMO研究內容及特點。3GPP Rel-15版本基本完成5G NR中對MIMO要求的內容，下一步Rel-16將對Rel-15版本進行完善和增強，旨在進一步提高系統性能、降低開銷和時延。

參考文獻

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【本文為51CTO專欄作者“移動Labs”原創稿件，轉載請聯系原作者】

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責任編輯：未麗燕來源：移動Labs