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            3D-MIMO大規模陣列天線?
            2019-08-08 09:50:43   來源:   評論:0 點擊:

            5G通信系統中一個關鍵技術就是大規模陣列天線技術,俗稱3D-MIMO天線技術。在4G實際網絡運行環境中,3D-MIMO天線就已經進行了規模部署,可以實現覆蓋增強,同時有效地緩解容量所帶來的壓力。

              5G通信系統中一個關鍵技術就是大規模陣列天線技術,俗稱3D-MIMO天線技術。在4G實際網絡運行環境中,3D-MIMO天線就已經進行了規模部署,可以實現覆蓋增強,同時有效地緩解容量所帶來的壓力。為了更好地了解3D-MIMO技術關鍵原理以及應用實踐,有必要從基本的MIMO技術原理入手,抽絲剝繭進行解讀。

            SU-MIMO技術(單用戶MIMO技術)

              單用戶MIMO技術通過空分復用實現了單用戶在相同時頻資源內的吞吐量提升。MIMO技術廣義包含兩個范疇,其一是傳輸分集,其二是空分復用,從信息論的角度來看,發射分集的數據屬于同一“份”數據源,而空分復用則是利用了“空間”這個資源實現了兩“份”不同數據源的同時傳輸。

              LTE系統的MIMO技術通過基帶預編碼實現了以上兩種數據傳輸模式。LTE中通過SFTD(空頻傳輸分集)+FSTD(頻率交換發射分集)技術實現了開環傳輸分集,而空分復用又包含了三種工作方式,分別是大延遲CDD空分復用、閉環空分復用和單層閉環空分復用。

              要了解以上具體的實現方案,首先需要對于一些基本的術語概念進行澄清。

              碼字(Codeword),碼字是一個子幀中在物理信道傳輸的一系列信道編碼比特,一個碼字對應了一個傳輸塊(Transport Block, TB),是傳輸塊經過信道編碼之后的產物,一個調度子幀(TTI)中最多傳輸兩個碼字,也意味著同時最多能傳輸兩個TB。

              層(Layer),碼字經過調制之后的一系列復數符號需要映射為層,國內一些文獻容易翻譯成“流”,為了術語的嚴謹和一致性,我們還是愿意稱之為“層”。一個碼字調制之后的一系列復數符號可以映射為1層,也可以映射為多層。不同工作模式下,碼字與層有不同的映射關系,可以認為層是碼字的一種進一步分割,也是為了預編碼處理的一種中間過程。LTE系統中,對于單天線端口,只存在單層與其映射,同時意味著只存在單碼字傳輸。而對于傳輸分集的模式,存在兩種層映射的工作方式,分別是2層和4層,與之對應的也只有單碼字的工作方式。對于空分復用的工作方式,在層映射中需要遵從的一個原則就是層的數量應該小于等于天線端口數。對于單碼字映射多層這種情況,僅僅在CRS天線端口為4或者UE專屬RS的天線端口為2或者更多的條件下會出現。無論是空分復用還是傳輸分集工作方式,通過碼字到層的映射之后,每層所包含的符號數是一致的??辗謴陀霉ぷ髂J街?,單碼字可分別映射為1、2、3、4層,雙碼字可分別映射為2、3、4、5、6、7、8層。5G NR系統中取消了傳輸分集模式,取而代之是基于空分復用模式的碼字與層映射關系,單碼字可以分別映射為1、2、3、4層,而雙碼字則分別可映射為5、6、7、8層。

              預編碼(Precoding),預編碼技術是將已分割好的各層所包含的信息進行編碼映射到天線端口進行傳輸的過程,不論對于單天線端口工作方式,還是多天線端口所涉及的傳輸分集或者空分復用都是必要的過程。對于單天線端口,映射原則比較簡單,單層所包含的符號與單天線邏輯端口符號一一對應,這種情況現網中一般室分場景會出現,室分配置單端口,不存在傳輸分集或者空分復用的工作方式。

              空分復用工作方式下碼字到層的信息映射流程是進行空分復用預編碼的唯一前提,承襲這一流程,空分復用預編碼實現了層到天線端口的信息映射。目前LTE協議中支持空分復用天線端口數為2或者4,基于小區公共參考信號的空分復用預編碼技術有三種實現方式,分別是無循環延遲分集(Cyclic delay diversity, CDD)的預編碼方案(Precoding without CDD)、大延遲CDD預編碼方案(Precoding for large delay CDD)和基于信道狀態反饋(CSI)的碼本選擇(閉環空間復用和單層閉環空間復用)。

              Precoding without CDD的空分復用預編碼方案符合如下定義:該天線預編碼矩陣從eNodeB和UE預先各自配置的碼本(Codebook)中進行選擇(注:碼本是可供選擇的預編碼矩陣的集合)。預編碼矩陣不僅實現了層到天線端口信息的映射和轉換,同時還為每一天線端口均等的分配發射功率,該預編碼方案并沒有進行循環延遲處理,這樣的設計盡管在模擬實現空分中各個支路的相關性較強,但解碼處理比較簡單,結合閉環PMI進行碼本反饋的方式仍然可以得到較好空分效果,在LTE協議中下行傳輸模式TM4使用這種預編碼方式,一般用在上下行頻率互異的FDD系統中。

              Precoding for large delay CDD的空分復用預編碼方案相比沒有CDD的預編碼方案通過引入相位偏轉的方式實現了循環延遲分集。LTE系統中采用支持較大延遲的CDD技術,這樣保證空間不同路(注:這里的“路”定義為空口中通過不同天線端口傳輸的信號,不能與層的概念混淆)的信號經歷的信道環境變化足夠大,人為地制造出了信道之間的不相關性,確保MIMO的接收性能。無循環延遲和大循環延遲兩種預編碼方式都可以通過碼本索引和傳輸層數共同確認。

              傳輸分集預編碼只針對單碼字傳輸進行處理,并且層個數應該與天線端口數保持一致,根據3GPP規范目前定義,基于小區公共參考信號傳輸分集如同空分復用工作方式一樣,只支持2天線端口和4天線端口的配置方式。傳輸分集并沒有在同樣的時頻資源上實現不同信息的復用傳輸,而使通過復用不同的時頻資源實現相同信息的傳輸從而提升了信息接收的可靠性。值得一提的是,對于單層的空分復用更像一種多徑設置,嚴格意義來講并不屬于傳輸分集范疇,在實際應用中更多作為MU-MIIMO配對使用。

            MU-MIMO技術(多用戶MIMO)

              多用戶MIMO顧名思義是將單用戶MIMO技術擴展配對為多用戶接入,即占用相同時頻資源的多個并行的數據發給不同用戶(下行)或不同用戶采用相同時頻資源發送數據給基站(上行)。從基站側來看,這本質上與傳統的SU-MIMO在工作方式維度來看沒有太大的區別,最重要的特點是如何將這些分布在不同空間范圍內的不同用戶有機地“配對”,根據香農公式對于MIMO技術的容量定義,取決于總體傳輸效率的兩個關鍵因素是信道的信噪比以及信道的相關程度,所謂“配對”需要做的工作是將具有合適信噪比和信道條件的用戶合理地組合,基站側需要通過UE上報CSI(CQI/PMI)以獲取用戶的信道條件。對于終端而言,需要獲知自身是否已被配對為MU-MIMO的進行數據傳輸,由于用戶之間并不知道彼此的信道條件,因此需要基站明確通知UE以確定的碼本進行解碼。LTE系統中定義的下行TM5傳輸模式即為MU-MIMO,這也是一種閉環空分復用的工作方式。協議中規定UE假定基站是以單層進行傳輸的,即RI=1,因此一般設備實現中對于單用戶也是分配了單層映射,當然也只能是單碼字傳輸。所以對于MU-MIMO模式下最多能夠配對的用戶取決于基站側配置天線端口數(假設終端都支持MU-MIMO),配置為2端口傳輸的基站最多能夠在同樣的時頻資源上配對復用2個用戶,而配置為4端口傳輸的基站最多能夠在同樣的時頻資源上配對復用4個用戶。UE通過解碼PDCCH DCI格式1D能夠獲取TM5傳輸模式下碼本信息,對于正在“配對”中的用戶,碼本理論上是不同的,否則無法保持不同用戶傳輸信息的預編碼正交性。

            3D-MIMO天線技術(Massive-MIMO)

              3D-MIMO的官方名稱叫作Massive-MIMO,其實就是一種高增益的陣列天線。相比傳統的8T8R天線,不僅實現了水平面的賦型,同時也利用更多的振子和通道實現了垂直面的賦型。天線賦型技術是通過不同通道電調陣子相位實現對于某一方向窄波束的匯聚從而實現輻射能量的增益,對于8T8R而言,在垂直方向上所有振子歸屬一個通道,因此無法實現垂直維度的賦型,而3D-MIMO天線通過垂直維度的通道隔離實現不同通道內所含振子的獨立電調從而完成了垂直維度的賦型。對于LTE廣播信道而言,3D-MIMO不進行類似PDSCH的賦型,而是通過32個雙極化通道(64通道)中每個極化通道的權值進行波束優化調整。

              LTE中除了TM5的MU-MIMO工作方式,TM7/8/9/10也可以提供MU-MIMO的傳輸方式。與TM5通過明確預編碼矩陣實現空分復用的機制有所不同,TM7/8/9/10通過天線通道的權值賦型技術并結合空間信道的特征匹配實現了多用戶空分復用。TM7/8/9/10傳輸模式下對于MU-MIMO的實現與信道條件準確評估密切相關。

              傳統8T8R天線下TM7單端口傳輸方式是典型的單用戶賦型技術。在TD-LTE 3D-MIMO系統中,基站根據不同用戶上報的SRS評估信道,并結合大規模陣列天線多通道進行編碼賦權,在基站側實現了多用戶空分復用傳輸配對。從終端角度觀察,解碼出來的依然是以單天線端口進行傳輸的TM7模式,而且對于其他配對終端無感知;從空間信道角度觀察,基站好像向空間特定位置多個用戶分別發出了多個定向窄波束,彼此之前無干擾,實現了完全物理維度“硬”空分,但其本質與TM5的預編碼實現多用戶空分一樣,都是基于預編碼矩陣計算實現,只不過TM5的預編碼碼本矩陣基站和終端進行了預先約定,而TM7的預編碼完全實現在基站一側,對于終端而言是透明的。

              UE在TM8傳輸模式下通過解碼PDCCH DCI格式2B可以獲取是否是單碼字傳輸還是雙碼字傳輸。在LTE 3D-MIMO大規模陣列天線應用之前,傳統的8T8R天線通過極化方式實現單用戶TM8 模式的“雙層傳輸”,該方案本質上屬于開環空分復用,但由于空間傳輸信道中極化正交性無法完全保障,因此這種實現方式在實際應用中效果并不理想。在大規模3D-MIMO天線部署之后,TM8傳輸模式可通過賦型預編碼技術實現。在某些無線設備廠商實現中,TM8模式下的“雙層傳輸”不僅可以支持SU-MIMO空分復用,也可以支持MU-MIMO配對空分復用。

              TM9傳輸模式是TM8傳輸模式的擴展。TM9同樣支持單用戶以單碼字或者雙碼字進行傳輸的空分復用。當PDSCH以單碼字單層傳輸時,特定情況下可以降階等價于TM8單端口,最大可實現4層SU-MIMO空分復用。當PDSCH以雙碼字傳輸時,最大可實現8層SU-MIMO空分復用。

              TM10傳輸模式可支持多基站聯合CoMP技術,基站可以利用上報RSRP測量值以及CSI報告激活CoMP傳輸。TM10同樣可以支持最大單用戶8層傳輸,除此之外還增加了新碼本集合,并且支持CSI-RS參考信號以beamform的形式進行發射,另外CSI-RS配置可以通過周期、非周期(半靜態)的方式進行配置,CSI上報可以通過周期、半持續或周期方式實現。TM10和TM9可以配置多個CSI-RS資源,UE可通過CRI(CSI-RS resource indication)明確所上報的CQI是基于具體哪個CSI-RS資源配置進行測量上報。

              LTE中3D-MIMO大規模陣列天線提升容量有兩方面維度,一方面是通過提升某一方向的陣列增益提升PDSCH的覆蓋效果提升用戶吞吐率或者激發更多的業務需求,但是LTE廣播信道并不具備賦型條件,因此討論3D-MIMO是否能夠通過提升覆蓋來提升系統容量是需要建立在廣播信道不受限的前提下。另一方面,3D-MIMO能夠通過單用戶SU-MIMO多層傳輸或者通過MU-MIMO用戶配對來實現系統吞吐率的提升。

              3D-MIMO是一次產業先行,推進3GPP標準發展的良好實踐。隨著3D-MIMO技術的日臻完善,相關的標準化工作也會不斷成熟,從這一點來看,LTE標準的未來演進方向與5G技術標準是趨同的。

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