干货！5G的核心之一：大规模天线技术
面向5G增强的大规模天线技术*
王映民，孙韶辉，康绍莉，高秋彬
（电信科学技术研究院（大唐电信）无线移动通信国家重点实验室，北京 100191）
*基金项目：国家重大专项课题“5G国际标准候选方案评估与验证（2018ZX03001024）”；北京市科委课题“5G物理层空口增强关键技术研究与标准推进（Z181100003218008）
【摘要】作为满足5G三大典型场景技术需求的核心技术，大规模天线技术在5G增强版本中依旧发挥着至关重要的作用。在对大规模天线技术的标准和产业进展进行总结的基础上，重点介绍分析了大规模天线技术面向5G增强的重点技术，包括高分辨信道状态信息反馈、多TRP传输、波束管理、上下行信道互易增强等。最后，对大规模天线技术的未来发展进行了展望。
【关键词】5G新空口（NR）；大规模天线；信道状态信息；多TRP传输；波束管理；信道互易
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.04.003
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2019)04-0015-06
引用格式：王映民,孙韶辉,康绍莉,等. 面向5G增强的大规模天线技术[J]. 移动通信, 2019,43(4): 15-20.
1 引言
5G新空口标准制定分为Rel-15和Rel-16两个阶段，其中Rel-15主要面向增强移动宽带（eMBB）和低时延高可靠（uRLLC）需求设计，已于2017年12月完成了非独立组网版本，2018年6月完成了独立组网版本[1-5]。Rel-16在Rel-15已经形成的标准版本基础上进一步增强，涵盖了基础能力的提升、增强移动宽带能力的提升、物联网业务扩展等多个方面。
大规模天线技术作为5G的核心关键技术，在满足eMBB、uRLLC和mMTC（海量机器类通信）业务的技术需求中发挥着至关重要的作用。例如，针对eMBB场景，其主要技术指标为频谱效率、峰值速率、能量效率、用户体验速率等，高阶MU-MIMO传输可以获得极高的频谱效率，同时，随着天线规模的增加，用户间干扰和噪声的影响都趋于消失，达到相同的覆盖和吞吐量所需的发射功率也将降低，提升能量效率。此外，高频段大带宽是达到峰值速率的关键，大规模天线技术提供的赋形增益可以补偿高频段的路径损耗，使得高频段的移动通信应用部署成为可能。针对uRLLC场景，其主要技术指标为时延和可靠性，半开环MIMO传输方案通过分集增益的方式增强传输的可靠性。分布式的大规模天线或者多TRP传输技术，将数据分散到地理位置上分离的多个传输点上传输，可以进一步提升传输的可靠性。针对mMTC场景，其主要技术指标为连接数量和覆盖，大规模天线技术的波束赋形增益有助于满足mMTC场景的覆盖指标，同时，高阶MU-MIMO也有利于连接数量的大幅提升。
基于前期的积累，例如Rel-12阶段开始的3D信道模型与场景研究，Rel-14阶段完成的FD-MIMO技术标准化[6-7]，3GPP在Rel-15阶段完成了大规模天线技术在NR第一个版本的标准化。在这个版本中，主要包括了大规模天线技术的传输方案、信道状态信息反馈机制、参考信号设计以及波束管理的相关设计。面向Rel-16阶段的NR第二个版本，大规模天线技术在增强移动宽带能力的提升方面发挥着重要作用，业界讨论的技术热点包括高分辨率信道状态信息（CSI）反馈、多TRP传输、增强的高频支持、增强的上下行信道互易支持等等。本文将先对大规模天线技术的标准和产业进展进行总结，再重点分析大规模天线技术热点，并对大规模天线技术的未来发展进行展望。
2 大规模天线技术标准和产业进展总结
2.1 Rel-15标准进展
3GPP在Rel-15阶段针对大规模天线技术进行了多个方向的探讨，具体包括：高频段信道建模、同步信道设计、控制信道设计、波束管理技术、信道测量与反馈、多点协同传输（CoMP）等。
（1）高频段信道建模
信道模型是系统设计性能评估的基础。继2015年开发三维空间信道模型（3D SCM）后，3GPP在2016年发起了关于NR信道建模的研究项目，涵盖6 GHz~100 GHz的高频段，最终形成技术标准
TS 38.900[8]。建立的高频段信道模型涵盖了室内办公室、商场和市中心等典型的部署场景，包括了路径损耗、天线去耦、LOS概率、空间一致性等多个参数，能够有效地支撑大规模天线技术的评估。
（2）同步信道设计
同步信道是终端（UE）进行小区初始选择、小区同步、小区搜索、上行接入以及小区切换的关键通道。针对NR的高频段，同步信道需要使用大规模天线技术进行波束赋形，利用窄带波束的增益实现足够的覆盖范围。
依据用户状态的不同，同步信道的设计有所不同。对于连接态（RRC_CONNECTED），不同基站之间可以通过回程来共享其下行同步信道的波束赋形信息参数，包括波束数量、同步信号在时域/频域的位置等，源小区可以将目标小区的同步信号参数信息通知本小区用户，供其在小区切换过程中进行时频同步获取操作。而对于空闲态（RRC_IDLE），UE在下行同步之前没有网络的任何先验信息，需要对所有可能的同步信道进行搜索。为了提高同步信道的覆盖范围，基站对同步信道进行波束赋形，形成多个窄带波束，利用波束扫描实现小区内的全覆盖，其主要挑战在于如何支持不同的扫描方案、时域和频域的波束扫描流程以及波束扫描下的下行同步信道设计。
（3）控制信道设计
和LTE系统相比，5G NR系统支持大带宽，并且同一小区内用户间的带宽可能不同，UE的带宽也可以与小区带宽不同。根据控制信道的种类和应用场景，不同的MIMO发送方案具有不同的优势和限制。
公共控制信道需要发送给小区内所有用户，通常有2种MIMO发送方案。其一为宽波束方案，在一个单个的传输时频单元内将控制信道发送给整个小区，实现对所有用户的覆盖；其二为窄波束方案，使用指向不同方向的窄波束在不同的时频资源上扫描发送，此时UE需要监测不同时频资源内不同波束对应的控制信道，检测复杂度和时延有可能增加。
UE专用控制信道发送给处于连接状态的特定UE，其MIMO发送方案与用户移动速度有关。对于大多数移动速度较低的用户，其在小区内的位置和相对基站的角度相对固定，通过一个窄波束进行控制信道的波束赋形可以获得赋形增益，提高控制信令的覆盖距离。控制信道的波束赋形步骤和数据信道可以有相似的步骤。对于某些移动速度较高的UE，其在小区内的位置和相对基站的角度变化较快，难以通过一个窄波束精确进行控制信道的波束控制，可以通过发送分集或者开环传输方式，产生一个较宽波束提升控制信号的覆盖鲁棒性。
（4）信道测量与反馈
在天线数量持续增加的情况下，实现高精度的信道状态信息（CSI）反馈，并保持较低的测量复杂度、反馈开销、功率消耗和UE复杂度，是5G NR面临的难题。
依据双工方式的不同，信道测量与反馈的方式有所不同。对于FDD系统，由于信道互易性不存在或者只存在长期信道互易性，基于下行测量后的信道反馈仍然是主要的CSI获取方案。需要考虑的关键因素有：CSI-RS端口数量、新空口CSI-RS设计、高端口反馈码本设计和增强、高精度CSI反馈方案、显式反馈等。5G NR Rel-15标准化了两种类型的码本，类型I和类型II码本。类型I为常规精度码本，用于支持单用户MIMO和多用户MIMO传输。类型II为高精度码本，主要用于支持多用户MIMO传输，提升系统频谱效率。对于TDD系统，由于上下行信道互易，可以通过上行信道测量获取下行信道信息。考虑的关键因素有：如何使用少数上行发送天线获取下行多数接收天线的信道、干扰测量增强、CQI计算增强等。
（5）多点协同传输（CoMP）
LTE系统从Rel-11开始支持下行多点协同传输，包括联合发送（JP）、协同调度/赋形（CS/CB）以及动态点静默（DPB/DPM）等不同的发送方案。在同一时间点，UE的数据可以由一个传输点（TRP）发送，也可以由多个TRP联合发送，不同TRP的信道状态信息由多个CSI进程实现反馈。
NR系统因天线规模的扩大，其波束变得更窄，从而能更精确地调整发送角度，也能进行更灵活的干扰消除，因此CoMP的应用会更加灵活、更加复杂。主要的技术方案有增强的CoMP发送方案。例如多点非相干联合传输（NC-JT），UE在同一时间点接收多流数据传输，不同数据流从不同的TRP发送；高密度组网条件下，CSI反馈对更多发送点和更多干扰假设的支持。
2.2 产业进展
伴随着大规模天线技术的研究和标准推进，业界对支持大规模天线技术的基站样机及产品进行了快速开发，并进行了技术试验。以中国的5G技术试验为例，在第一阶段（2016年），各厂家开发了128元及以上的大规模天线阵列，其中大唐电信集团开发了业界最大规模的256元大规模天线系统，基于100 MHz带宽能够支持4 Gb/s的小区峰值速率。在第二阶段（2017年），面向运营商的预商用验证需求，各厂家开发了64通道192元的大规模天线阵列，其中大唐电信集团开发的基站产品支持200 MHz带宽，在测试中能够支持28流，获得的单用户峰值速率达到1.6 Gb/s，小区峰值速率超过10 Gb/s。自第三阶段（2018年）开始，基于非独立组网（NSA）和独立组网（SA）系统，支持大规模天线技术的预商用和商用产品开始了系统级验证，初步验证表明，针对100 MHz带宽256QAM调制方式，下行8个终端能支持16流达到6 Gb/s小区峰值速率，下行16个终端能支持32流达到10 Gb/s小区峰值速率。
3 增强大规模天线技术
多天线信息理论证明[9]，在无线通信链路的收、发两端均使用多个天线，通信系统所具有的信道容量将远远超越传统单天线系统信息传输能力极限。该理论为大规模天线技术提供了坚实的理论基础，展现了其在高速无线接入系统中的广阔应用前景。业界探讨的大规模天线技术的应用场景，包括集中式覆盖、分布式覆盖、高层建筑、异构网络场景、室内外热点以及郊区、无线回传链路等[10]。频段直接决定了天线系统的尺寸，在需要广域覆盖的场景，大规模天线技术倾向于6 GHz以下的低频段；在热点覆盖或回传链路等场景中，大规模天线技术倾向于6 GHz以上的高频段。高频段的应用对于大规模天线阵列的小型化与实际网络部署十分有利，且在高频段中，也需要大规模天线系统所提供的高波束增益来弥补传播环境中非理想因素的影响。因此，5G NR实现了对大规模天线基本功能的支持，在增强5G系统中将对大规模天线技术进行进一步的增强。下面重点介绍大规模天线技术面向5G增强的一些技术热点，包括高分辨信道状态信息反馈、多TRP/Panel传输、波束管理、增强的DL-UL信道互易支持等。
3.1 高分辨信道状态信息反馈
从网络性能来看，类型II的CSI反馈是最能提升大规模天线性能的最具潜力手段。在5G NR中，支持采用L=2, 3, 4个波束进行线性合并，同时仅支持秩为1和2的码本。和理想CSI反馈性能相比，5G NR支持的类型II码本在性能上仍存在差距。同时，由于类型II码本的反馈开销巨大，在进行CSI上报时，也增加了系统设计的复杂度。
在增强5G系统中，一方面需要提升码本性能，另一方面要降低反馈开销。为了提升码本性能，可以进一步增加用于线性合并的波束个数，如支持L>4，并采用差分上报的方式将反馈开销分散于多次上报中。此外，需要进一步支持秩为3、4的码本，此码本可以应用于具有8接收天线以上的UE和网络负载较轻的场景，提高吞吐量。为了降低反馈开销，可以采用频域压缩方案压缩子带的码本参数。频域压缩方案是指利用UE计算的CSI在不同子带之间的相关性，通过一组频域的正交基稀疏表达UE计算的CSI，UE对稀疏表达之后的系数进行量化反馈。取决于场景和信道条件，频率压缩之后系统可以节省多达60%的反馈开销。图1和图2分别给出了不同的系数量化方案的性能评估结果，其中Alt1是指系数的幅度用3 bits量化，Alt2A是指系数的幅度用差分方式量化，Alt3是指系数的幅度分解为空域系数和频域系数的Kronecker乘积并量化，系数的相位分别用2 bits和3 bits量化，α表示用3 bits量化的系数相位的比例。仿真环境中的基站为128天线，终端为2天线，其他具体的仿真条件见表1。图1和图2中，纵坐标“relative performance”给出的是采用压缩方案的性能与未压缩方案的性能的比值，横坐标“overhead (bit)”给出的是压缩方案的反馈开销，而未压缩方案的反馈开销是455 bits。从评估结果可以看出，压缩方案极大地降低了反馈开销，但是对性能的影响基本可以忽略。
3.2 多TRP传输
针对多TRP传输，5G NR中未能显示支持NC-JT方案的标准化，在5G增强系统中需继续进行研究和标准化。为了增强多TRP传输，需要进一步增加协作的TRP个数，如扩展至2个以上。同时，可以结合多种应用场景进行传输方案的设计，如需要考虑相干/非相干传输、上行和下行协作、室内场景和室外场景、联合传输（JT）/协作波束赋形（CB）/传输点选择（DPS）等。
在5G增强系统中，需要围绕多TRP的传输方案和CSI上报方式进行设计。在CSI上报方式设计方面，波束上报和CSI反馈均需要考虑增强。在传输方案方面，可以采用2级控制信令的方式支持非相干JT，另外对于控制信道的多TRP传输也可以开展研究。针对多TRP传输，码字到层的映射关系需要重新考虑。5G NR系统中，1~4个数据流的传输都使用单个码字进行。在多TRP传输场景中，不同TRP到UE的信道质量会有比较大的差异，如果强制他们映射到同一个码字，会极大地降低系统的传输能力。因此，在5G增强系统中需要研究1~4个数据流分散到多个码字中进行传输的方案。图3和图4分别给出了在不同的系统资源占用率（RU=40%或者RU=60%）条件下，单码字传输和多码字传输的多TRP方案相对于单点传输的性能增益。图中single CW和double CWs分别指单码字传输和多码字传输，具体的仿真条件如表2所示。从图3和图4的仿真结果可以看出，双码字传输相对于多码字传输有显著的性能增益。
3.3 波束管理
5G NR对上行波束管理进行了初步讨论。所谓上行波束管理，即UE给基站提供信息（如SRS）来协助基站进行波束管理。在5G增强系统中，需要进一步增强波束管理的性能，针对更高频段（>52.6 GHz）场景进行优化。然而，随着频率升高，传输方案以及上行、下行波束管理与5G NR会存在如下方面的不同：
（1）单载波波形相较于OFDM的优势更加明显。单载波波形可以有效地降低信号的峰均比，相同性能的高频射频前端器件（如PA）可以发射更高功率的单载波信号，可能对于高频射频前端器件的要求有所降低。
（2）从频谱角度分析，100 GHz以内大于52.6 GHz频段存在着大量潜在可用的连续频谱，比如57 GHz～71 GHz（其中64 GHz～71 GHz为非授权频谱）、71 GHz～76 GHz、81 GHz～86 GHz等，这使得采用比5G NR更大系统带宽成为可能。基于此，可能采用更加简单的模拟波束赋形架构单流或低阶传输，而不必采用模拟-数字混合波束赋形架构进行多流传输，就可以满足ITU对于5G峰值速率的要求。
（3）上行波束管理，在不同的UE天线结构前提下，如全向天线面板和多个定向天线面板。
3.4 增强的DL-UL信道互易支持
若系统满足上下行信道互易性，则可以使用SRS获取下行CSI，或者采用CSI-RS获取上行CSI。5G NR中初步支持了对于满足上下行信道互易性时的CSI计算。在5G增强系统中，可以针对信道互易性成立时的传输及反馈方案进行增强。传输方案的增强可以研究部分信道互易性条件下的传输方案。此外，上下行波束互易成立所要求的信道互易性的精度也需要研究并验证。反馈方案的增强可以考虑干扰反馈方式设计，同时，进一步研究基于SRS和CSI-RS的上下行CSI联合获取方案，包括下行信令的设计、联合触发上下行参考信号等。
4 结束语
大规模天线技术为系统频谱效率、用户体验、传输可靠性的提升提供了重要保证，同时也为异构化、密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制与协调手段。目前，大规模天线理论研究为MIMO技术的进一步发展提供了有力支持，数据通信业务飞速发展则为推动MIMO技术的继续演进提供了强大的内在需求，而相关实现技术的日渐成熟则为大规模MIMO技术的标准化、产业化提供了必要的条件。
随着通信频段向更高频段的扩展，随着一系列关键技术的突破以及器件、天线等技术的进一步发展，可以预期，未来的通信系统能支持的天线数目会越来越大，具有的通信能力也会越来越高。因此，需要进一步做好大规模天线技术的演进研究，包括大规模多天线与协作传输理论与技术研究、大规模新型天线与射频理论与技术研究、大规模多天线测试理论与方法研究等。
原文发表于《移动通信》2019年第4期
