劉慧 趙奕晨 江甲沫 趙楠德

【摘? 要】R15階段，5G新空口碼本設(shè)計基本延用R13、R14的碼本設(shè)計思路，但為了滿足多種傳輸場景，R15的碼本設(shè)計更為精細，同時引入了多天線陣面碼本、混合波束賦形等新特性，為后續(xù)碼本技術(shù)增強做好了準備。根據(jù)目前標準進展，總結(jié)了R15階段5G新空口碼本技術(shù)的標準化內(nèi)容，討論了R16階段碼本增強技術(shù)，最后給出了各種碼本方案優(yōu)缺點的對比及應用分析。

【關(guān)鍵詞】5G;碼本設(shè)計;MIMO

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）04-0002-06

[Abstract]?In the stage of Rel-15 version， the codebook design in 5G New Radio （NR） basically inherits the codebook design idea in Rel-13 and Rel-14. However， in order to meet the multiple types of transmission scenarios， more fine codebook design introduces multi-antenna array codebook and hybrid beamforming to enhance the subsequent codebook technique. Based on current standardization progress， the standardization contents of 5G NR codebook design in Rel-15 version are summarized in this paper， and the codebook enhancement in Rel-16 version is discussed. Finally， the comparison of advantages and disadvantages of different codebook schemes， as well as the application analysis are presented.

[Key words] 5G; codebook design; MIMO

1? ?引言

LTE階段引入多天線技術(shù)大幅提升系統(tǒng)吞吐量，最開始的R8版本Householder碼本最大支持4天線發(fā)送。LTE-Advanced階段將天線擴展到最大支持8天線發(fā)送，R10版本開始采用基于DFT（Discrete Fourier Transform）波束的碼本[1]，一直沿用至今。在這過程中，R13版本將二維碼本擴展至三維碼本能夠更好地應用在二維天線陣列中，支持的端口數(shù)和層數(shù)也在不斷增加，到R14版本已經(jīng)能夠支持最大32端口，最多8層數(shù)據(jù)同時發(fā)送。

面向5G新空口，隨著載波頻率的升高，天線數(shù)進一步增加，空間信道的復雜性和多樣性也進一步提高，之前的碼本方案已經(jīng)逐漸不能滿足5G的性能需求。因此，R15版本以R14碼本設(shè)計為基礎(chǔ)完成了5G新空口的大規(guī)模MIMO技術(shù)的第一個標準化版本的碼本設(shè)計[2]。

盡管R15版本提出的Type II碼本能夠有效提升用戶平均吞吐量（至少30%），但CSI反饋開銷太大，且與理想信道狀態(tài)反饋性能還是存在很大差異，尤其是對多用戶MIMO場景。所以，R16階段開啟了對碼本增強技術(shù)的研究[3]，第三節(jié)詳細介紹了碼本增強技術(shù)目前的候選技術(shù)及討論進展。第四節(jié)對本文所涉及的碼本技術(shù)進行了總結(jié)和對比分析，并討論了在不同應用場景中各碼本的優(yōu)缺點。

2? ?R15碼本設(shè)計標準化內(nèi)容

用戶設(shè)備通過測量基站發(fā)送的導頻信息（CSI-RS）得出信道狀態(tài)信息（CSI），然后準確地把信道狀態(tài)信息反饋給基站，對MIMO系統(tǒng)性能起到至關(guān)重要的作用。因此，碼本設(shè)計的準確度以及對應的反饋預編碼標識（PMI， Precoding Matrix Indicator）對碼本的還原度和反饋開銷大小都會影響系統(tǒng)的整體性能。由于5G場景對數(shù)據(jù)傳輸速率要求更加嚴格，5G新空口R15版本定義了兩種類型的碼本：常規(guī)精度碼本（Type I碼本）和高精度碼本（Type II碼本）。5G還引入了多天線陣面，為了適配陣面之間靈活的部署方式，設(shè)計了多天線陣面碼本。此外，5G還支持類似于LTE的Class A反饋、Class B反饋及混合反饋方式，因此還設(shè)計了支持賦形CSI-RS傳輸方案的端口選擇碼本[4]。

2.1? Type I單天線陣面碼本

Type I碼本延用了LTE的碼本設(shè)計原理采用W=W1*W2的兩級碼本結(jié)構(gòu)，其設(shè)計目的不僅要滿足鏈路性能需求，還要考慮碼本設(shè)計的反饋開銷，因此基于波束選擇設(shè)計了碼本。W1根據(jù)信道的長期寬帶空間特性選擇寬帶波束組，W2根據(jù)信道的短期子帶特性選擇波束并量化兩極化方向之間的相位差以實現(xiàn)極化方向之間的同相位合并。碼本生成過程如圖1所示。

（1）波束集合

首先，空域第一維正交基由N1個長度為N1的DFT波束構(gòu)成，乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q1）進行O1倍過采樣細化波束粒度。同樣，第二維正交基由N2個長度為N2的DFT波束構(gòu)成，乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q2）進行O2倍過采樣。N1和N2分別為水平維和垂直維天線端口數(shù)，O1和O2分別為水平和垂直維過采樣率，如公式（1）和公式（2）所示：

兩維DFT波束分別通過克羅內(nèi)克積相乘，如公式（3）所示，得到空域波束集合，包含N1O1N2O2個波束。

（2）選擇寬帶波束組

用戶設(shè)備通過測量信道信息從空域波束集合中選擇寬帶波束組生成碼本W(wǎng)1。W1基于塊對角線結(jié)構(gòu)，每個對角塊B表示一個極化方向的波束組，不同極化方向的天線陣列使用相同的波束組，即從N1O1N2O2個波束中選出L個DFT波束，L可配置為1或4。L=4時選擇相鄰波束，一維天線選擇四個相鄰的波束，如圖2（a）所示，二維天線選擇第一維度的兩個相鄰波束和第二維度的兩個相鄰波束克羅內(nèi)克積形成的波束，如圖2（b）所示。

（3）波束選擇和相位差量化

用戶設(shè)備生成，其中P用于選擇波束（L=4），被選波束對應位置為1，其余元素為0，φ用于量化兩極化方向之間的相位差，采用2NP-PSK量化，NP∈{1， 2， 3， 4}，碼本如公式（5）所示：

2.2? Type I多天線陣面碼本

Type I單天線陣面碼本設(shè)計均假設(shè)天線均勻分布，而多天線陣面的部署往往與實際場景相關(guān)，陣面可能非均勻分布，單天線陣面碼本使用的DFT波束不能準確匹配非均勻分布天線陣列的信道響應。因此，基于Type I單天線陣面碼本構(gòu)造了Type I多天線陣面碼本，通過在單天線陣面碼本之間引入陣面間相位調(diào)整因子而得到，如公式（6）所示：

其中，對角塊B與L=1時的Type I單天線陣面碼本相同，Ng表示天線陣面?zhèn)€數(shù)，支持2個或4個陣面，φi表示陣面間相位調(diào)整因子，采用2NP-PSK量化，NP=2。

2.3? Type II單天線陣面碼本

Type II碼本是高精度碼本，利用波束組合原理設(shè)計碼本[5]。LTE階段，采用L=2個正交波束作為基向量進行合并，不同極化方向的合成系數(shù)相同。5G新空口Type II碼本擴展了用于合并的正交波束個數(shù)，且不同極化方向獨立進行波束合并，碼本靈活性和精度均比Type I有所提高，但是反饋開銷也顯著增加，因此只支持Rank=1或2（并行數(shù)據(jù)流數(shù)量）的傳輸情況。受標準化時間限制，R15版本只定義了Type II單天線陣面碼本，而多天線陣面碼本沒有進行標準化，碼本生成過程如圖3所示：

（1）選擇波束正交基

Type II也是基于W=W1*W2的兩級碼本結(jié)構(gòu)，其空間波束集合與Type I相同。由于Type II是利用正交波束合并生成碼本，用戶設(shè)備通過測量信道信息從空域波束集合中選擇波束正交基，即從O1O2組DFT波束正交基中選出一組，不同層和極化方向使用同一組正交基。一維天線選擇的正交波束圖樣如圖4（a）所示，二維天線選擇的正交波束圖樣如圖4（b）所示。

（2）選擇寬帶波束組

從選出的波束正交基中選擇寬帶波束組用于生成塊對角矩陣B=[b0…bL-1]， L∈{2， 3， 4}，不同層和極化方向使用同一組寬帶波束。

（3）寬帶系數(shù)幅度量化

每層獨立進行寬帶系數(shù)幅度量化求量化系數(shù)PWB，假設(shè)寬帶信道特征向量為VWB，寬帶波束組合系數(shù)矩陣為，，即求最佳解，使得VWB=W1 *。由于W1是正交基，滿足酉矩陣性質(zhì)inv（W1）=W1H，因此=inv（W1）*W1*=W1H*VWB。對按照最強波束系數(shù)做幅度歸一量化即可得到寬帶幅度量化系數(shù)PWB=diag（[p0WB…pWB2L-1]）。量化采用3比特量化，取值范圍為，其中最強波束寬帶幅度系數(shù)為1。

（4）子帶系數(shù)幅度和相位量化

同寬帶幅度量化方法一樣，用子帶信道特征向量VSB和W1計算得到子帶波束組合系數(shù)矩陣，按照寬帶最強波束做幅度歸一量化和相位差量化，得到子帶幅度量化系數(shù)PSB=diag（[p0SB…pSB 2L-1]）和子帶相位量化系數(shù)C=[c0， …，c2L-1]T。子帶系數(shù)幅度量化為可選項，如果選擇量化，采用1比特量化，取值范圍為。相位量化采用2NP-PSK量化，NP∈{2， 3}，其中最強波束子帶幅度系數(shù)為1，相位系數(shù)為1。

2.4? 端口選擇碼本

端口選擇碼本用于賦形CSI-RS傳輸方案，主要用于混合反饋方式[6]。每個CSI-RS端口采用不同的波束進行賦形，所用的波束可以通過Type I或Type II碼本反饋或者基于信道互易性獲得。用戶設(shè)備從賦形CSI-RS估計出賦形后的每個數(shù)據(jù)流的等效信道，每個數(shù)據(jù)流對應一個賦形波束。端口選擇碼本通過W1實現(xiàn)端口/波束選擇，選擇波束個數(shù)可配置為L∈{2， 3， 4}，對于選擇的L個端口采用Type II單天線陣面碼本相同的幅度和相位系數(shù)計算方法生成W2對L個波束進行線性合并。

3? ?Type II增強碼本標準化進展

由于Type II高精度碼本反饋開銷太大，所以R15版本Type II僅支持Rank=1或2的情況。標準定義多用戶MIMO Rank最大支持12層，如果使用R15版本Type II碼本至少需要配對6個用戶才能充分利用MIMO信道容量。而實際業(yè)務大多符合FTP業(yè)務模型，基站很難同時配對到這么多用戶將性能增益最大化[7]。因此，R16階段從兩方面考慮增強Type II碼本能力，一方面進一步壓縮反饋開銷，另一方面擴展Type II碼本支持Rank 3或4。

3.1? Type II頻域壓縮

R15碼本設(shè)計期間，不同子帶信道之間存在確定的相關(guān)性，即子帶系數(shù)組成的空頻系數(shù)矩陣每一行在頻域上都存在一些相關(guān)性。因此，R16中對空頻矩陣進行頻域壓縮來進一步降低反饋開銷，備選方案包括：基于DFT/DCT基向量線性組合方案、頻域參數(shù)化方案、空頻矩陣SVD分解壓縮方案等。經(jīng)過標準化討論目前已確定基于DFT向量的頻域壓縮方案[8]，其基本原理與空域壓縮類似，基本過程如下：

（1）頻域DFT向量集合

頻域正交基由N3個長度為N3的DFT向量組成，N3=NSB*R， R∈{1， 2}。當NSB*R>13時，是否需要進行分段壓縮目前還在討論中。乘以旋轉(zhuǎn)因子R（q3）進行O3倍過采樣得到頻域DFT向量集合，其中：