謝武生 董帝烺

【摘 要】5G技術(shù)越來越近，但是LTE網(wǎng)絡(luò)在未來還將長期存在，利用5G的Massive MIMO技術(shù)來提升LTE網(wǎng)絡(luò)的容量非常有價(jià)值。通過對(duì)Massive MIMO技術(shù)提升容量的MU-MIMO理論進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)在TM9和TM3/TM4模式下的MU-MIMO技術(shù)，并且在現(xiàn)網(wǎng)中分別進(jìn)行了測試驗(yàn)證，基本達(dá)到了預(yù)期的效果。最后針對(duì)影響MU-MIMO性能的用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè)務(wù)類型等因素進(jìn)行了定量分析，給出MU-MIMO在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的指導(dǎo)建議。

【關(guān)鍵詞】大規(guī)模MIMO；多用戶MIMO；傳輸模式9；傳輸模式3/4；時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源；空分復(fù)用

Research on Multiuser Space Division Multiplexing in

FDD Massive MIMO Technology

XIE Wusheng， DONG Dilang

[Abstract] Though 5G technology comes， LTE network still exists in the future. It is valuable that 5G Massive MIMO technology is used to enhance the capacity of LTE network. MU-MIMO theory based on Massive MIMO technology to enhance capacity is analyzed. The MU-MIMO technology in TM9 and TM3/TM4 modes is implemented. It is tested in existing networks and achieves the desired effect. Finally， the factors to affect MU-MIMO performance such as user space distribution， number of active users and user service types are analyzed quantitatively and the suggestions on the application of MU-MIMO in existing networks are presented.

[Key words]Massive MIMO； MU-MIMO； TM9； TM3/4； time-frequency network resources； space division multiplexing

1 引言

5G非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)于2017年12月份凍結(jié)，這標(biāo)志著5G技術(shù)已經(jīng)逐漸步入商用。在這標(biāo)準(zhǔn)中，5G NR將依靠LTE網(wǎng)絡(luò)一起發(fā)展，以滿足5G用戶的需求提供一致的服務(wù)體驗(yàn)。同時(shí)，經(jīng)過多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署，LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)擁有廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和龐大的用戶群體基礎(chǔ)，并且現(xiàn)在已經(jīng)占據(jù)了95%以上的移動(dòng)業(yè)務(wù)流量。未來幾年，在5G終端還未全面普及的情況下，LTE用戶還將繼續(xù)保持增長，LTE仍然是MBB服務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)，LTE的流量還將繼續(xù)增長，因此利用5G技術(shù)來提高LTE容量至關(guān)重要。

2 應(yīng)用5G Massive MIMO提升4G網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)中國IMT-2020（5G）推進(jìn)組發(fā)布的《5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書》，5G無線關(guān)鍵技術(shù)主要包括：大規(guī)模天線、超密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址技術(shù)、新型多載波技術(shù)、先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)、終端直通技術(shù)（D2D）、靈活雙工、全雙工、頻譜共享等技術(shù)[1]?？紤]到LTE網(wǎng)絡(luò)還將持續(xù)存在較長的一段時(shí)間，如果能把這些5G的技術(shù)應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)中，這對(duì)提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能，持續(xù)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將具有非常重要的意義[2]。這些關(guān)鍵技術(shù)中，大規(guī)模天線技術(shù)不依賴于5G網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，它利用大規(guī)模陣列天線，實(shí)現(xiàn)波束更窄、更精確的波束賦形，更高流數(shù)的多用戶空分復(fù)用等，提升網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗(yàn)[3]，目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有初步的應(yīng)用，但FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)中還未有真正的商用。

Massive MIMO技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)容量，主要是利用MU-MIMO技術(shù)，是在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)用戶相互獨(dú)立的信號(hào)，在接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，充分利用空間無線資源，在不增加頻率和功率資源的情況下，理論上空口信道容量隨著收發(fā)端天線對(duì)的數(shù)量線性增大，從而顯著提高系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量[4]。多用戶空分復(fù)用允許多個(gè)不用的用戶在同一個(gè)時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源上傳送數(shù)據(jù)，這些用戶需要在空間上有一定的隔離，避免相互干擾。

3 MU-MIMO的理論研究

MU-MIMO是相對(duì)于SU-MIMO（單用戶多進(jìn)多出）提出來的，最早應(yīng)用于Wi-Fi中，目前已經(jīng)在LTE網(wǎng)絡(luò)中取得很好的應(yīng)用。在SU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給一個(gè)單獨(dú)的用戶，分配給該UE的時(shí)頻資源由該UE獨(dú)占，可以提升該用戶的傳輸速率。而在MU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給多個(gè)不同的用戶，這些用戶通過空分的方式使用相同的時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源，利用用戶彼此之間的空間隔離度進(jìn)行區(qū)分，達(dá)到多用戶空間分集的增益。

在MU-MIMO的通信網(wǎng)絡(luò)中，如圖1所示，一個(gè)基站可以和多個(gè)用戶進(jìn)行通信，此時(shí)基站配置了多根收發(fā)天線達(dá)到更高的空間自由度，而用戶端不需要配置多根天線，基站與每一個(gè)用戶都形成了一個(gè)MIMO通道，整體系統(tǒng)就是MU-MIMO系統(tǒng)。

圖1 MU-MIMO系統(tǒng)

假設(shè)基站配置的天線數(shù)為NT，第k個(gè)用戶有Nk根接收天線，基站到第k個(gè)用戶的信道信息矩陣為NT×Nk的矩陣H。假設(shè)發(fā)送給第k個(gè)用戶的數(shù)據(jù)矢量為Sk，則第k個(gè)用戶接收到的信號(hào)為：

yk=∑Li=1HkSi+n=HkSi+∑Li=1，i≠kHkSi+n （1）

在MU-MIMO的研究實(shí)現(xiàn)中，對(duì)接收端的信號(hào)檢測是一個(gè)重要的問題。在上行鏈路中，基站可以比較容易地獲得用戶上行信道的狀態(tài)信息，采用多用戶檢測的方法可以恢復(fù)每個(gè)用戶的發(fā)送信號(hào)。但在下行鏈路中，基站同時(shí)要向多個(gè)用戶發(fā)送信號(hào)，用戶會(huì)接收到期望接收到的信號(hào)，同時(shí)還有來自其它用戶的干擾，由于是在同一個(gè)時(shí)頻信道中進(jìn)行通信，稱為共道干擾。因此，在多用戶MIMO系統(tǒng)下行鏈路中，需要消除或抑制共信道干擾[5]。

為了解決MU-MIMO下行鏈路多用戶復(fù)用的干擾問題，可以在發(fā)射端或接收端進(jìn)行干擾消除，但在接收端進(jìn)行干擾消除的處理復(fù)雜度很大，因此采用在發(fā)射端采用下行鏈路預(yù)編碼技術(shù)用于解決MU-MIMO下行鏈路用戶之間互相干擾的問題。發(fā)射端將層映射后的數(shù)據(jù)通過預(yù)編碼處理，可以有效地減小MU-MIMO下行傳輸中的多用戶干擾，從而提高系統(tǒng)容量[6]。

對(duì)于FDD-LTE系統(tǒng)來說，由于上下行信道頻率不同，MU-MIMO實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于需要利用更精準(zhǔn)的CSI反饋來進(jìn)行下行信道的測試和預(yù)編碼[7]。不同天線的信號(hào)以不同的路徑發(fā)送，每個(gè)天線端口需要一組參考信號(hào)才能獲得準(zhǔn)確的通道狀態(tài)測量。但是，更多天線端口也會(huì)導(dǎo)致更多的信道開銷，因此3GPP推出了TM9模式，使用CSI參考信號(hào)（CSI-RS）用于信道測量和反饋，而解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）用于數(shù)據(jù)解調(diào)。由于TM9模式下可以實(shí)現(xiàn)窄波束的波束賦形，使得用戶之間的信道更加獨(dú)立，從而大大減少了用戶之間的干擾，并確保了以相同時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源傳送數(shù)據(jù)的性能。目前研究的Massive MIMO技術(shù)在TM9模式下最高可以實(shí)現(xiàn)16流的復(fù)用，也就是最高可以達(dá)到8個(gè)用戶雙流的空分復(fù)用[8]。

現(xiàn)網(wǎng)中支持TM9模式的商用終端幾乎沒有，為了適配現(xiàn)網(wǎng)用戶的終端，需要研究TM3/TM4模式下的MU-MIMO。目前在TM3/TM4模式下，可以把大規(guī)模陣列天線劃分形成4個(gè)虛擬的天線扇區(qū)，虛擬扇區(qū)之間通過多天線的賦形增加空間的隔離和空間的辨識(shí)度，虛擬扇區(qū)都?xì)w屬于同一個(gè)邏輯小區(qū)，具有相同的PCI等小區(qū)屬性。在TM3/TM4模式下實(shí)現(xiàn)的MU-MIMO最多只能支持4個(gè)用戶同時(shí)空分復(fù)用，系統(tǒng)的容量比TM9模式會(huì)小一些，但對(duì)現(xiàn)網(wǎng)用戶，理論上已經(jīng)能達(dá)到4倍的提升。

4 MU-MIMO的應(yīng)用情況

4.1 TM9模式的應(yīng)用

在TM9模式下，由于增加了CSI-RS和DMRS參考信號(hào)產(chǎn)生的開銷，使得單用戶的峰值速率只能達(dá)到約128 Mb/s[3]。理論上Massive MIMO在TM9模式下可以實(shí)現(xiàn)最高8個(gè)用戶的空分復(fù)用，在研究中為了驗(yàn)證TM9模式下的MU-MIMO性能，盡可能利用空間的隔離進(jìn)行多個(gè)支持TM9模式UE測試終端分散分布，但由于測試環(huán)境的限制，只能達(dá)到6個(gè)測試終端能有效空間隔離。利用大數(shù)據(jù)量的下載業(yè)務(wù)測試，并從后臺(tái)統(tǒng)計(jì)小區(qū)的總吞吐量。當(dāng)Massive MIMO小區(qū)使用TM9模式時(shí)，現(xiàn)網(wǎng)中的正常用戶終端均不支持TM9模式，因此小區(qū)的總吞吐量是測試終端的總吞吐量。通過測試可以發(fā)現(xiàn)，6個(gè)UE測試總速率達(dá)到717 Mb/s，平均單用戶速率接近120 Mb/s，如表1所示。

通常現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)理論上吞吐率只有150 Mb/s，而TM9模式下MU-MIMO小區(qū)總吞吐率為717 Mb/s，提升了約4.8倍。測試終端相距較近時(shí)，由于空間隔離度不夠，無法達(dá)到空分的效果，這些終端只能進(jìn)行頻分，測試的系統(tǒng)總吞吐率將會(huì)下降。

4.2 空載TM3/TM4模式的應(yīng)用

在TM3/TM4模式下，不需要增加CSI-RS和DMRS參考信號(hào)，因此信道開銷與現(xiàn)網(wǎng)一致，理論上每個(gè)UE可以達(dá)到峰值速率150 Mb/s。但在實(shí)際測試中，用戶使用同一個(gè)時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源的空分復(fù)用時(shí)，即使在信號(hào)覆蓋較好的情況下，系統(tǒng)為了降低用戶之間的相互干擾，MCS不會(huì)調(diào)度太高，系統(tǒng)為每一個(gè)用戶調(diào)度的速率也遠(yuǎn)達(dá)不到理論速率，實(shí)際測試只有約112 Mb/s，小區(qū)的總吞吐率達(dá)到450 Mb/s，如表2所示：

表2 TM3/TM4模式的MU-MIMO測試

UE PCI RSRP/dBm SINR/dB 平均MCS 平均調(diào)度的RB數(shù) UE下行平均

速率/Mb·s-1

UE1 51 -53.2 22.9 23.7 97.9 106.6

UE2 51 -52.2 23.5 24.7 99.2 114.3

UE3 51 -53.1 23.1 24.5 99.2 112.3

UE4 51 -52.6 23.6 24.98 99.4 117.2

在進(jìn)行TM3/TM4模式的測試時(shí)，要達(dá)到系統(tǒng)的容量更大，需要4個(gè)用戶在空間上具有一定的空間隔離度，如果其中的用戶空間隔離度不夠，將無法空分調(diào)度相同的時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源。

4.3 商用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

在實(shí)際的商用網(wǎng)絡(luò)中，用戶不會(huì)像研究測試中的測試終端在空間分布上具有良好的空間隔離度，用戶的分布受樓房分布、時(shí)間等因素呈不確定性，當(dāng)大量用戶進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)在進(jìn)行多用戶的空分調(diào)度時(shí)，不一定能找出具有良好空間隔離度的多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行空分復(fù)用。同時(shí)進(jìn)行空分調(diào)度的用戶有可能會(huì)小于理論的4個(gè)用戶，使得系統(tǒng)的總吞吐率下降。并且存在調(diào)度空分復(fù)用的用戶會(huì)進(jìn)行移動(dòng)的情況，這有時(shí)會(huì)破壞多用戶之間的空間隔離度，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總吞吐率的下降。

為了驗(yàn)證FDD Massive MIMO在商用網(wǎng)絡(luò)中的MU-MIMO性能，進(jìn)行了不使用Massive MIMO、配置TM3模式的Massive MIMO、配置TM4模式的Massive MIMO這3種現(xiàn)網(wǎng)場景的研究。在RRC最大激活用戶數(shù)約120個(gè)的高負(fù)荷小區(qū)下，不應(yīng)用Massive MIMO的普通小區(qū)下行業(yè)務(wù)平均速率達(dá)到約25 Mb/s，而應(yīng)用TM3/TM4模式的Massive MIMO技術(shù)后小區(qū)的下行業(yè)務(wù)平均速率達(dá)到44 Mb/s以上，小區(qū)的系統(tǒng)容量提升了近1倍，如表3所示：

5 影響MU-MIMO性能因素的分析

FDD Massive MIMO在進(jìn)行MU-MIMO的用戶調(diào)度中，會(huì)進(jìn)行用戶空間隔離度的計(jì)算分析，用戶的空間分布將對(duì)MU-MIMO的性能產(chǎn)生較大的影響，并且在用戶量較大的情況下MU-MIMO能找到空分配對(duì)的機(jī)會(huì)也相對(duì)較高?，F(xiàn)網(wǎng)中的普通用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，除了視頻等流媒體業(yè)務(wù)是使用大包數(shù)據(jù)外，大部分的應(yīng)用都是小包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的大小也會(huì)對(duì)MU-MIMO的性能產(chǎn)生影響。因此針對(duì)影響MU-MIMO性能的3個(gè)重要因素：用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè)務(wù)類型進(jìn)行了定量的分析。

5.1 用戶空間分布的影響

FDD Massive MIMO空分復(fù)用要求各空分用戶之間保持一定的空間隔離度，這樣才能增加空分倍數(shù)，提升空分增益。把用戶相對(duì)于FDD Massive MIMO小區(qū)的分布從左到右，分成7個(gè)區(qū)間，如圖2所示，橫軸代表水平7個(gè)波束方向。通過統(tǒng)計(jì)可以得到，用戶分布相對(duì)集中，主要集中在波束5，這種分布方式不利于產(chǎn)生更高的空分倍數(shù)。如果要達(dá)到更高的空分倍數(shù)，要求用戶在各個(gè)波束之間的分布相對(duì)均勻。

圖2 用戶空間分布圖

5.2 激活用戶數(shù)的影響

FDD Massive MIMO小區(qū)在激活用戶較高的情況下，即實(shí)際業(yè)務(wù)需求用戶較多的情況下，空分的概率更大，從而空分倍數(shù)會(huì)更高，提升空分增益。通過網(wǎng)管跟蹤Massive MIMO小區(qū)平均激活用戶數(shù)與空分倍數(shù)的關(guān)系，空分倍數(shù)會(huì)隨著用戶平均激活用戶數(shù)的增加呈線性增加，如圖3所示：

圖3 激活用戶數(shù)與空分倍數(shù)關(guān)系圖

5.3 用戶業(yè)務(wù)類型的影響

FDD Massive MIMO空分復(fù)用在大包數(shù)據(jù)調(diào)度比例相對(duì)較高的情況下能增加空分的概率，從而提高空分倍數(shù)，提升空分增益。提取Massive MIMO小區(qū)大包用戶占比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：當(dāng)大包數(shù)據(jù)調(diào)度比例小于50%時(shí)，系統(tǒng)的空分倍數(shù)得不到較大提升；大包數(shù)據(jù)調(diào)度占比達(dá)到60%后，系統(tǒng)的空分倍數(shù)可以有較大的提升，如圖4所示：

圖4 大包調(diào)度與空分倍數(shù)關(guān)系圖

6 結(jié)束語

Massive MIMO技術(shù)在TD-LTE已經(jīng)比較成熟，對(duì)于FDD-LTE來說還處于起步階段，還未有成熟的商用部署。從技術(shù)研究上來看，Massive MIMO技術(shù)通過波束賦形和MU-MIMO技術(shù)，對(duì)于FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的提升具有顯著的成效，隨著國家對(duì)通信運(yùn)營商提出的提速降費(fèi)，用戶使用的數(shù)據(jù)流量還將繼續(xù)爆發(fā)性地增長，不久的將來LTE網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容將面臨越來越大的壓力，Massive MIMO技術(shù)將是非常有用的利器。通過對(duì)Massive MIMO技術(shù)多用戶空分復(fù)用的研究和應(yīng)用，對(duì)于商用網(wǎng)絡(luò)部署Massive MIMO技術(shù)，主要應(yīng)用于高流量的熱點(diǎn)區(qū)域。在部署時(shí)，需要測算用戶空間分布情況、小區(qū)激活用戶數(shù)情況、小區(qū)用戶業(yè)務(wù)類型情況，建議部署在用戶空間分布比較均勻，RRC平均激活用戶數(shù)高于60個(gè)，大包數(shù)據(jù)占比達(dá)到60%的小區(qū)，這樣才能更好地發(fā)揮出Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢。并且在部署時(shí)需要對(duì)Massive MIMO的天線進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使得天線覆蓋下的用戶性能盡量滿足以上要求。

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