什么是3D-MIMO大规模阵列天线？

张阳

2019-07-19 10:39:03　来源：人民邮电报

　　5G通信系统中一个关键技术就是大规模阵列天线技术，俗称3D-MIMO天线技术。在4G实际网络运行环境中，3D-MIMO天线就已经进行了规模部署，可以实现覆盖增强，同时有效地缓解容量所带来的压力。为了更好地了解3D-MIMO技术关键原理以及应用实践，有必要从基本的MIMO技术原理入手，抽丝剥茧进行解读。

　SU-MIMO技术（单用户MIMO技术）

　　单用户MIMO技术通过空分复用实现了单用户在相同时频资源内的吞吐量提升。MIMO技术广义包含两个范畴，其一是传输分集，其二是空分复用，从信息论的角度来看，发射分集的数据属于同一“份”数据源，而空分复用则是利用了“空间”这个资源实现了两“份”不同数据源的同时传输。

　　LTE系统的MIMO技术通过基带预编码实现了以上两种数据传输模式。LTE中通过SFTD（空频传输分集）+FSTD（频率交换发射分集）技术实现了开环传输分集，而空分复用又包含了三种工作方式，分别是大延迟CDD空分复用、闭环空分复用和单层闭环空分复用。

　　要了解以上具体的实现方案，首先需要对于一些基本的术语概念进行澄清。

　　码字（Codeword），码字是一个子帧中在物理信道传输的一系列信道编码比特，一个码字对应了一个传输块（Transport Block, TB），是传输块经过信道编码之后的产物，一个调度子帧（TTI）中最多传输两个码字，也意味着同时最多能传输两个TB。

　　层（Layer），码字经过调制之后的一系列复数符号需要映射为层，国内一些文献容易翻译成“流”，为了术语的严谨和一致性，我们还是愿意称之为“层”。一个码字调制之后的一系列复数符号可以映射为1层，也可以映射为多层。不同工作模式下，码字与层有不同的映射关系，可以认为层是码字的一种进一步分割，也是为了预编码处理的一种中间过程。LTE系统中，对于单天线端口，只存在单层与其映射，同时意味着只存在单码字传输。而对于传输分集的模式，存在两种层映射的工作方式，分别是2层和4层，与之对应的也只有单码字的工作方式。对于空分复用的工作方式，在层映射中需要遵从的一个原则就是层的数量应该小于等于天线端口数。对于单码字映射多层这种情况，仅仅在CRS天线端口为4或者UE专属RS的天线端口为2或者更多的条件下会出现。无论是空分复用还是传输分集工作方式，通过码字到层的映射之后，每层所包含的符号数是一致的。空分复用工作模式中，单码字可分别映射为1、2、3、4层，双码字可分别映射为2、3、4、5、6、7、8层。5G NR系统中取消了传输分集模式，取而代之是基于空分复用模式的码字与层映射关系，单码字可以分别映射为1、2、3、4层，而双码字则分别可映射为5、6、7、8层。

　　预编码（Precoding），预编码技术是将已分割好的各层所包含的信息进行编码映射到天线端口进行传输的过程，不论对于单天线端口工作方式，还是多天线端口所涉及的传输分集或者空分复用都是必要的过程。对于单天线端口，映射原则比较简单，单层所包含的符号与单天线逻辑端口符号一一对应，这种情况现网中一般室分场景会出现，室分配置单端口，不存在传输分集或者空分复用的工作方式。

　　空分复用工作方式下码字到层的信息映射流程是进行空分复用预编码的唯一前提，承袭这一流程，空分复用预编码实现了层到天线端口的信息映射。目前LTE协议中支持空分复用天线端口数为2或者4，基于小区公共参考信号的空分复用预编码技术有三种实现方式，分别是无循环延迟分集（Cyclic delay diversity, CDD）的预编码方案（Precoding without CDD）、大延迟CDD预编码方案（Precoding for large delay CDD）和基于信道状态反馈（CSI）的码本选择（闭环空间复用和单层闭环空间复用）。

　　Precoding without CDD的空分复用预编码方案符合如下定义：该天线预编码矩阵从eNodeB和UE预先各自配置的码本（Codebook）中进行选择（注：码本是可供选择的预编码矩阵的集合）。预编码矩阵不仅实现了层到天线端口信息的映射和转换，同时还为每一天线端口均等的分配发射功率，该预编码方案并没有进行循环延迟处理，这样的设计尽管在模拟实现空分中各个支路的相关性较强，但解码处理比较简单，结合闭环PMI进行码本反馈的方式仍然可以得到较好空分效果，在LTE协议中下行传输模式TM4使用这种预编码方式，一般用在上下行频率互异的FDD系统中。

　　Precoding for large delay CDD的空分复用预编码方案相比没有CDD的预编码方案通过引入相位偏转的方式实现了循环延迟分集。LTE系统中采用支持较大延迟的CDD技术，这样保证空间不同路（注：这里的“路”定义为空口中通过不同天线端口传输的信号，不能与层的概念混淆）的信号经历的信道环境变化足够大，人为地制造出了信道之间的不相关性，确保MIMO的接收性能。无循环延迟和大循环延迟两种预编码方式都可以通过码本索引和传输层数共同确认。

　　传输分集预编码只针对单码字传输进行处理，并且层个数应该与天线端口数保持一致，根据3GPP规范目前定义，基于小区公共参考信号传输分集如同空分复用工作方式一样，只支持2天线端口和4天线端口的配置方式。传输分集并没有在同样的时频资源上实现不同信息的复用传输，而使通过复用不同的时频资源实现相同信息的传输从而提升了信息接收的可靠性。值得一提的是，对于单层的空分复用更像一种多径设置，严格意义来讲并不属于传输分集范畴，在实际应用中更多作为MU-MIIMO配对使用。

　MU-MIMO技术（多用户MIMO）

　　多用户MIMO顾名思义是将单用户MIMO技术扩展配对为多用户接入，即占用相同时频资源的多个并行的数据发给不同用户（下行）或不同用户采用相同时频资源发送数据给基站（上行）。从基站侧来看，这本质上与传统的SU-MIMO在工作方式维度来看没有太大的区别，最重要的特点是如何将这些分布在不同空间范围内的不同用户有机地“配对”，根据香农公式对于MIMO技术的容量定义，取决于总体传输效率的两个关键因素是信道的信噪比以及信道的相关程度，所谓“配对”需要做的工作是将具有合适信噪比和信道条件的用户合理地组合，基站侧需要通过UE上报CSI（CQI/PMI）以获取用户的信道条件。对于终端而言，需要获知自身是否已被配对为MU-MIMO的进行数据传输，由于用户之间并不知道彼此的信道条件，因此需要基站明确通知UE以确定的码本进行解码。LTE系统中定义的下行TM5传输模式即为MU-MIMO，这也是一种闭环空分复用的工作方式。协议中规定UE假定基站是以单层进行传输的，即RI=1，因此一般设备实现中对于单用户也是分配了单层映射，当然也只能是单码字传输。所以对于MU-MIMO模式下最多能够配对的用户取决于基站侧配置天线端口数（假设终端都支持MU-MIMO），配置为2端口传输的基站最多能够在同样的时频资源上配对复用2个用户，而配置为4端口传输的基站最多能够在同样的时频资源上配对复用4个用户。UE通过解码PDCCH DCI格式1D能够获取TM5传输模式下码本信息，对于正在“配对”中的用户，码本理论上是不同的，否则无法保持不同用户传输信息的预编码正交性。

3D-MIMO天线技术（Massive-MIMO）

　　3D-MIMO的官方名称叫作Massive-MIMO，其实就是一种高增益的阵列天线。相比传统的8T8R天线，不仅实现了水平面的赋型，同时也利用更多的振子和通道实现了垂直面的赋型。天线赋型技术是通过不同通道电调阵子相位实现对于某一方向窄波束的汇聚从而实现辐射能量的增益，对于8T8R而言，在垂直方向上所有振子归属一个通道，因此无法实现垂直维度的赋型，而3D-MIMO天线通过垂直维度的通道隔离实现不同通道内所含振子的独立电调从而完成了垂直维度的赋型。对于LTE广播信道而言，3D-MIMO不进行类似PDSCH的赋型，而是通过32个双极化通道（64通道）中每个极化通道的权值进行波束优化调整。

　　LTE中除了TM5的MU-MIMO工作方式，TM7/8/9/10也可以提供MU-MIMO的传输方式。与TM5通过明确预编码矩阵实现空分复用的机制有所不同，TM7/8/9/10通过天线通道的权值赋型技术并结合空间信道的特征匹配实现了多用户空分复用。TM7/8/9/10传输模式下对于MU-MIMO的实现与信道条件准确评估密切相关。

　　传统8T8R天线下TM7单端口传输方式是典型的单用户赋型技术。在TD-LTE 3D-MIMO系统中，基站根据不同用户上报的SRS评估信道，并结合大规模阵列天线多通道进行编码赋权，在基站侧实现了多用户空分复用传输配对。从终端角度观察，解码出来的依然是以单天线端口进行传输的TM7模式，而且对于其他配对终端无感知；从空间信道角度观察，基站好像向空间特定位置多个用户分别发出了多个定向窄波束，彼此之前无干扰，实现了完全物理维度“硬”空分，但其本质与TM5的预编码实现多用户空分一样，都是基于预编码矩阵计算实现，只不过TM5的预编码码本矩阵基站和终端进行了预先约定，而TM7的预编码完全实现在基站一侧，对于终端而言是透明的。

　　UE在TM8传输模式下通过解码PDCCH DCI格式2B可以获取是否是单码字传输还是双码字传输。在LTE 3D-MIMO大规模阵列天线应用之前，传统的8T8R天线通过极化方式实现单用户TM8 模式的“双层传输”，该方案本质上属于开环空分复用，但由于空间传输信道中极化正交性无法完全保障，因此这种实现方式在实际应用中效果并不理想。在大规模3D-MIMO天线部署之后，TM8传输模式可通过赋型预编码技术实现。在某些无线设备厂商实现中，TM8模式下的“双层传输”不仅可以支持SU-MIMO空分复用，也可以支持MU-MIMO配对空分复用。

　　TM9传输模式是TM8传输模式的扩展。TM9同样支持单用户以单码字或者双码字进行传输的空分复用。当PDSCH以单码字单层传输时，特定情况下可以降阶等价于TM8单端口，最大可实现4层SU-MIMO空分复用。当PDSCH以双码字传输时，最大可实现8层SU-MIMO空分复用。

　　TM10传输模式可支持多基站联合CoMP技术，基站可以利用上报RSRP测量值以及CSI报告激活CoMP传输。TM10同样可以支持最大单用户8层传输，除此之外还增加了新码本集合，并且支持CSI-RS参考信号以beamform的形式进行发射，另外CSI-RS配置可以通过周期、非周期（半静态）的方式进行配置，CSI上报可以通过周期、半持续或周期方式实现。TM10和TM9可以配置多个CSI-RS资源，UE可通过CRI（CSI-RS resource indication）明确所上报的CQI是基于具体哪个CSI-RS资源配置进行测量上报。

　　LTE中3D-MIMO大规模阵列天线提升容量有两方面维度，一方面是通过提升某一方向的阵列增益提升PDSCH的覆盖效果提升用户吞吐率或者激发更多的业务需求，但是LTE广播信道并不具备赋型条件，因此讨论3D-MIMO是否能够通过提升覆盖来提升系统容量是需要建立在广播信道不受限的前提下。另一方面，3D-MIMO能够通过单用户SU-MIMO多层传输或者通过MU-MIMO用户配对来实现系统吞吐率的提升。

　　3D-MIMO是一次产业先行，推进3GPP标准发展的良好实践。随着3D-MIMO技术的日臻完善，相关的标准化工作也会不断成熟，从这一点来看，LTE标准的未来演进方向与5G技术标准是趋同的。

编辑：张苇柠

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