焦慧穎 劉鵬

【摘? 要】大規(guī)模MIMO技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，其原理是當(dāng)基站天線數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于終端天線數(shù)量的時候，基站到各個用戶之間的干擾趨于消失，為更好地應(yīng)用大規(guī)模MIMO技術(shù)提升系統(tǒng)容量和用戶頻譜效率，3GPP對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。首先介紹了3GPP在Rel 15階段對大規(guī)模波束賦形的傳輸方案和波束管理等關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化情況，然后重點(diǎn)分析描述了Rel 16階段大規(guī)模MIMO的增強(qiáng)技術(shù)，包括多點(diǎn)（TRP）/多面板（panel）發(fā)送以及多波束發(fā)送等關(guān)鍵技術(shù)，未來大規(guī)模MIMO的發(fā)展趨勢將根據(jù)實(shí)際應(yīng)用部署對相關(guān)的技術(shù)做進(jìn)一步增強(qiáng)。

【關(guān)鍵詞】 大規(guī)模天線陣列;多點(diǎn)/多面板發(fā)送;多波束發(fā)送

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.007? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0032-05

引用格式：焦慧穎，劉鵬. 5G大規(guī)模MIMO增強(qiáng)技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 32-36.

The Enhanced Technology and Development Trend of Massive MIMO in 5G

JIAO Huiying1， LIU Peng2

（1.China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China;

2.China Ship Research and Development Academy， Beijing 100101， China）

[Abstract]

Massive MIMO technology is one of the key technologies of 5G， and the principle is that the interference among multiple UEs tends to disappear when the antenna number of the base station is much larger than terminal. In order to better apply massive MIMO technology to improve system capacity and user spectral efficiency， 3GPP has standardized the related technologies. This paper first introduces the standardization of massive beamforming transmission solutions and beam management technologies in 3GPP Rel 15. Then the key enhanced massive MIMO technologies in 3GPP Rel 16 are emphatically described and analyzed including multiple TRP/panel and multiple beams. The development trend of massive MIMO would further enhance the relevant technologies according to the real deployment.

[Key words] massive antennas; multiple TRP/multiple panel transmission; multiple beam transmission

0? ?引言

第五代移動通信系統(tǒng)中的小區(qū)越來越密集，其對業(yè)務(wù)和容量的需求越來越高，在基站端采用超大規(guī)模天線陣列（比如數(shù)百個天線或更多）可以滿足用戶對高速發(fā)展的數(shù)據(jù)流量的需求。

3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大規(guī)模MIMO的特性，推動了基站在高低頻段大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用。由于引入了一些新的部署場景，如多面板陣列，高頻段混合波束賦形等，因此5G NR相比于4G LTE引入了新的特性，包括支持多點(diǎn)/多面板操作，靈活的信道狀態(tài)信息（CSI）獲取和波束管理，支持32端口的低分辨率Type I碼本和高分辨率的Type II碼本以及靈活導(dǎo)頻（尤其是CSI-RS、DM RS和SRS）的發(fā)送。

5G NR MIMO相比LTE MIMO有以下幾方面的區(qū)別：

（1）高分辨率的Type II碼本能夠提供比LTE多30%的用戶平均吞吐量的增益。

（2）靈活的CSI獲取和導(dǎo)頻設(shè)計可用于未來標(biāo)準(zhǔn)化版本的增強(qiáng)擴(kuò)展。

（3）NR MIMO通過波束管理可工作在大于6 GHz的高頻段。

總體來說，3GPP Rel 15 NR MIMO特性提供了充足的基礎(chǔ)，以便在Rel 16 NR階段做進(jìn)一步的增強(qiáng)，3GPP Rel 16的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容包括以下幾個方面[1]：

（1）支持多用戶MIMO的增強(qiáng)。基于Type II CSI反饋定義降低開銷的方法，定義rank大于2的Type II CSI反饋的擴(kuò)展。

（2）增強(qiáng)多TRP/多面板傳輸，包括增強(qiáng)理想和非理想回傳的可靠性和魯棒性。定義下行控制信令增強(qiáng)用于有效支持非相干聯(lián)合傳輸，研究必要的上行控制信令和參考信號的增強(qiáng)用于非相干聯(lián)合傳輸以及低時延高可靠（URLLC）需求的多TRP技術(shù)。

（3）多波束增強(qiáng)，主要目標(biāo)是高頻段的增強(qiáng)。研究定義對Rel 15的上下行發(fā)送波束選擇增強(qiáng)來降低時延和開銷，定義DL/UL和DL only的輔小區(qū)的波束失敗恢復(fù)以及定義L1-RSRQ或者L1-SINR的測量和上報。

（4）研究降低PAPR的CSI-RS和DM RS的增強(qiáng)。

大規(guī)模天線陣列的站點(diǎn)之間協(xié)作傳輸或者一個站點(diǎn)下的大規(guī)模天線陣列的多面板協(xié)作傳輸，稱為多點(diǎn)/多面板發(fā)送，Rel 16標(biāo)準(zhǔn)化的多點(diǎn)發(fā)送支持兩個點(diǎn)的協(xié)作發(fā)送，而多波束增強(qiáng)，主要定義了輔小區(qū)的波束失敗恢復(fù)以及測量和上報的相關(guān)內(nèi)容。本文著重介紹了3GPP Rel 16的多點(diǎn)/多面板發(fā)送和多波束發(fā)送的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)化，并且分析了大規(guī)模MIMO未來的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向。

1? ?多點(diǎn)/多面板發(fā)送

多點(diǎn)/多面板發(fā)送可分成獨(dú)立下行控制信令調(diào)度多點(diǎn)/多面板的數(shù)據(jù)，以及聯(lián)合下行控制信令調(diào)度多點(diǎn)/多面板的數(shù)據(jù)。當(dāng)多點(diǎn)發(fā)送之間是非理想回傳的時候，多個發(fā)送點(diǎn)分別發(fā)送下行控制信令調(diào)度下行數(shù)據(jù)，當(dāng)多點(diǎn)發(fā)送之間是理想回傳的時候，可以用一個聯(lián)合下行控制信令調(diào)度多點(diǎn)的數(shù)據(jù)。其中獨(dú)立下行控制信令調(diào)度多點(diǎn)/多面板的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)終端能力，將每個“PDCCH-config”配置下的控制資源集合（CORESETs）的最大數(shù)目擴(kuò)展到5，每個CORESET對應(yīng)一個新引入的高層信令CORESETPoolIndex，上行PUCCH的HARQ-ACK反饋可以是分開反饋和聯(lián)合反饋。聯(lián)合下行控制信令調(diào)度多點(diǎn)/多面板的數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)定義了DM RS的設(shè)置，以及多點(diǎn)聯(lián)合發(fā)送的低時延高可靠發(fā)送。

1.1? 多個下行控制信道調(diào)度多點(diǎn)/多面板發(fā)送

圖1給出了兩個發(fā)送點(diǎn)分別有下行控制信道調(diào)度相應(yīng)的下行數(shù)據(jù)的示意圖，RRC信令配置dataScram-blingIdentityPDSCH標(biāo)識對不同的PDSCH進(jìn)行不同的序列加擾，該標(biāo)識和每個CORESET的高層信令CORESETPoolIndex關(guān)聯(lián)。

（1）對接收的PDSCHs分別進(jìn)行HARQ-ACK反饋

對于接收的PDSCHs分別進(jìn)行HARQ-ACK反饋的時候，一個時隙內(nèi)PUCCH采用時分復(fù)用的方式來反饋兩個發(fā)送點(diǎn)數(shù)據(jù)對應(yīng)的HARQ-ACK反饋，UE通過不同的高層信令系數(shù)來識別不同發(fā)送點(diǎn)所生成的HARQ-ACK，同時支持Type I HARQ-ACK 碼本和Type II HARQ-ACK碼本。

（2）對接收的PDSCHs進(jìn)行聯(lián)合HARQ-ACK反饋

對于接收的PDSCHs在一個時隙內(nèi)聯(lián)合反饋HARQ-ACK的情況，如圖2所示[3]，因?yàn)榻K端會在一個下行控制信道發(fā)送時刻接收用于多個發(fā)送點(diǎn)的PDCCHs，用于對應(yīng)PUCCH資源映射的最后一個下行控制信令（DCI）的確定方法，首先是在相同PDCCH監(jiān)聽時刻和相同服務(wù)小區(qū)情況下，對應(yīng)不同CORESET的高層系數(shù)進(jìn)行升序排列，然后在相同PDCCHs監(jiān)聽時刻，服務(wù)小區(qū)進(jìn)行升序排列，最后PDCCH監(jiān)聽時刻升序排列，也就是時隙數(shù)值最大，服務(wù)小區(qū)系數(shù)最大的最高CORESET Index對應(yīng)的DCI。

多點(diǎn)發(fā)送的聯(lián)合HARQ-ACK反饋，計數(shù)DAI（Counter DAI）是跨兩個發(fā)送點(diǎn)（也就是不同數(shù)值的CORESETPoolIndex）來聯(lián)合計數(shù)的[4]，并且總體DAI（Total DAI）應(yīng)該是在一個PDCCH監(jiān)聽時刻跨服務(wù)小區(qū)和跨發(fā)送點(diǎn)總體計數(shù)的。如圖3所示，這種方法避免了由于下行控制信令錯誤檢測帶來的HARQ-ACK碼本大小的模糊問題，舉例來說，如圖3中所示，如果沒有檢測到DCI#3，因?yàn)镈AI是跨多個TRP聯(lián)合計數(shù)的，終端可以基于DCI#2'中的Counter DCI來識別該DCI沒有檢測到。而且由于聯(lián)合HARQ-ACK反饋用于理想回傳的情況，多個TRP可以聯(lián)合協(xié)作，因此聯(lián)合計數(shù)DAI是可行的。

（3）多點(diǎn)/多面板發(fā)送的PDSCH和HARQ反饋

如圖4所示，3GPP Rel 15中單個發(fā)送點(diǎn)調(diào)度PDSCH和HARQ反饋有限制[3]，對于任何HARQ進(jìn)程IDs，終端不會接收和另一個PDSCH發(fā)送時間重疊的PDSCH。但是引入Rel 16多點(diǎn)/面板支持部分重疊甚至是全部重疊的PDSCHs，這個限制就要進(jìn)行更新。

3GPP Rel 16標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)多個下行控制信令調(diào)度兩個發(fā)送點(diǎn)上行/下行數(shù)據(jù)時候，也就是CORSET和不同CORESETPoolIndex的數(shù)值關(guān)聯(lián)的時候，允許以下操作：

1）PDCCH調(diào)度PDSCH/PUSCH。對于任何一個被調(diào)度小區(qū)的兩個HARQ進(jìn)程IDs，如果UE被調(diào)度開始接收第一個PDSCH起始于符號j，結(jié)束于符號i，終端可以通過和比符號i晚的不同CORESETPoolIndex相關(guān)的PDCCH調(diào)度接收比第一個PDSCH/PUSCH結(jié)束的早的PDSCH。

2）PDSCH的HARQ-ACK反饋。在給定調(diào)度的小區(qū)中，終端在時隙i接收第一個PDSCH，相應(yīng)的HARQ-ACK分配在時隙j進(jìn)行發(fā)送，來自不同CORESETPoolIndex相關(guān)的比第一PDSCH起始發(fā)送晚的第二PDSCH，其相應(yīng)的HARQ-ACK可以在時隙j之前進(jìn)行HARQ-ACK分配。

多DCI調(diào)度的多點(diǎn)傳輸，如果配置了CORESET-PoolIndex，接收的PDCCH和相應(yīng)的PDSCH的時間偏置小于門限值，終端假設(shè)PDSCH的DM RS端口和相同CORESETPoolIndex配置的最低CORESET Index的PDCCH的RSs是QCL的。

1.2? 單個下行控制信道調(diào)度多點(diǎn)發(fā)送

如圖5所示，當(dāng)多個發(fā)送點(diǎn)是理想回傳，以及多面板發(fā)送的時候，可以用單個下行控制信道同時調(diào)度多個點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（1）DM RS端口指示

支持單個下行控制信道調(diào)度多個小區(qū)數(shù)據(jù)的DM RS端口指示，天線端口信令指示范圍大小和Rel 15相同，通過天線端口指示至少支持來自兩個發(fā)送點(diǎn)以下的layer組合{1+1， 1+2， 2+1， 2+2}。當(dāng)下行控制信令的一個TCI code point指示了2個TCI狀態(tài)的時候，如果指示的DM RS端口來自兩個CDM組，第一個TCI狀態(tài)應(yīng)用于第一個指示的CDM組，第二個TCI狀態(tài)應(yīng)用于第二個指示的CDM組。

（2）基于多TRP的URLLC業(yè)務(wù)傳輸機(jī)制

隨著大規(guī)模天線技術(shù)的引入，基站大規(guī)模天線的多個面板可以同時傳輸，同時多個基站也可以同時發(fā)送，稱為多TRP/多面板傳輸技術(shù)。利用多TRP/多面板使用多個波束發(fā)送相同數(shù)據(jù)可以提升可靠性，用于低時延高可靠性業(yè)務(wù)的調(diào)度。其中多面板低時延高可靠調(diào)度的主要可行機(jī)制包括空分復(fù)用（SDM）、頻分復(fù)用（FDM）和時分復(fù)用（TDM）機(jī)制。其中空分復(fù)用機(jī)制（SDM）的方法指的是一個時隙內(nèi)的時間和頻率資源是重疊的，每組DM RS端口和多面板的一個波束關(guān)聯(lián)，不同的編碼比特映射到不同的數(shù)據(jù)流上。頻分復(fù)用的機(jī)制有兩種，一種是來自多個發(fā)送點(diǎn)的相同冗余版本（RV）的不同的編碼比特映射到不同組的RBs上，類似于多個發(fā)送點(diǎn)之間的頻率切換發(fā)送分集，但是分集增益受限;第二種方式是來自多個發(fā)送點(diǎn)的不同RV在不同編碼比特映射到不同組RBs上發(fā)送，獲得更高的可靠性，頻率復(fù)用相比空分復(fù)用，由于沒有多個發(fā)送點(diǎn)間的干擾，會有相對較好的性能。時分復(fù)用機(jī)制包括時隙內(nèi)的時分重復(fù)和時隙間的時分重復(fù)兩種機(jī)制，多個發(fā)送點(diǎn)的不同編碼比特對應(yīng)不同的時間資源分配，所有的發(fā)送時刻均使用統(tǒng)一的MCS，RV/TCI state在發(fā)送時刻是相同或者是不同的。時分復(fù)用方式是時間域和空間域重復(fù)的組合，可以用在可靠性和資源利用率需求更高的場景。對于時隙內(nèi)的時分復(fù)用，基站用下行控制信道指示第一個發(fā)送時刻的位置，第二個發(fā)送時刻是第一個發(fā)送時刻的K個發(fā)送符號的偏置，并且長度和第一個發(fā)送時刻相同，并且時隙內(nèi)時分復(fù)用中具體發(fā)送時刻的數(shù)量取決于下行控制信道中波束狀態(tài)的指示數(shù)量。

1.3? 不同傳輸機(jī)制的信令指示方法

為指示不同的傳輸機(jī)制，盡量重用已有的信令設(shè)計以節(jié)省開銷。首先利用已有下行控制信令中的TCI states指示可以實(shí)現(xiàn)多個發(fā)送點(diǎn)和單個發(fā)送點(diǎn)的動態(tài)切換，另外，由于空分復(fù)用（SDM）是多個數(shù)據(jù)流復(fù)用，因此已有下行控制信令的參數(shù)CDM組參數(shù)為2，以此來確定是空分復(fù)用傳輸機(jī)制，利用已有的URLLC指示中的重復(fù)數(shù)量參數(shù)URLLCRepNum來確定TDM4，其余的傳輸機(jī)制的確定是通過3GPP Rel 16新定義的半靜態(tài)信令來指示區(qū)分兩種頻分復(fù)用機(jī)制和時分復(fù)用機(jī)制。

2? ? 多波束增強(qiáng)

支持RRC信令配置最多64個候選波束用于波束失敗恢復(fù)，新波束指示和L1 RSRP測量是UE能力信令的一部分。

新波束識別的下行導(dǎo)頻基于SSB和CSI-RS用于波束管理，新波束識別的下行導(dǎo)頻在激活BWP上發(fā)送，新波束識別的門限基于L1-RSRP。

支持基站配置終端上報最多N個SSBRI/CRI以及每個波束上報時刻對應(yīng)的L1-SINR，N是RRC信令可配置的。

在波束失敗恢復(fù)請求流程期間，終端為每個輔小區(qū)只上報一個波束系數(shù)。輔小區(qū)的波束失敗恢復(fù)請求流程中，步驟1是類似于調(diào)度請求（SR）的上行控制信道（PUCCH）資源用于上報波束失敗，步驟2用MAC CE上報候選波束以及對應(yīng)的L1-SINR。如果輔小區(qū)波束失敗，并且沒有L1-RSRP高于輔小區(qū)波束失敗恢復(fù)門限的新波束，終端上報沒有識別出輔小區(qū)的新波束。

3? ?大規(guī)模MIMO的發(fā)展方向

3GPP Rel 16 NR對Rel 15進(jìn)行了增強(qiáng)，包括引入基于DFT壓縮的增強(qiáng)Type II碼本，支持eMBB下行數(shù)據(jù)的多點(diǎn)發(fā)送，增強(qiáng)多波束操作包括降低不同重配置下的開銷和時延降低，輔小區(qū)波束失敗恢復(fù)和L1-SINR，另外低PAPR參考信號和特性可以實(shí)現(xiàn)上行全功率發(fā)送。

關(guān)于未來大規(guī)模天線的發(fā)展方向，因?yàn)?G NR正值商業(yè)化進(jìn)程，根據(jù)實(shí)際的部署場景要對不同的方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步增強(qiáng)，這些方面包括以下部分[2]：第一，考慮到高速車輛的場景（例如UE在高速功率上移動），進(jìn)一步降低時延和開銷，以及降低波束失敗事件的發(fā)生概率;第二，Rel 16雖然研究了多個面板的上行波束選擇的增強(qiáng)，提供了一些潛在用于提升上行覆蓋的方案，但沒有足夠的時間來完成標(biāo)準(zhǔn)化工作;第三，除了下行數(shù)據(jù)信道有多個發(fā)送點(diǎn)的好處以外，還可以包含上行密集部署在宏小區(qū)或者異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署場景中小區(qū)間的多點(diǎn)發(fā)送;第四，進(jìn)一步增強(qiáng)上行導(dǎo)頻SRS提升容量和覆蓋;第五，在Rel 16增強(qiáng)的Type II CSI的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增強(qiáng)低頻FDD部署下的多發(fā)送點(diǎn)/多面板的CSI設(shè)計以及更好地使用信道統(tǒng)計的角度和時延的部分互易性用于聯(lián)合傳輸。

4? ? 結(jié)束語

大規(guī)模天線技術(shù)是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大規(guī)模MIMO的特性，推動了基站在高低頻段大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用。Rel 16在此基礎(chǔ)上做了增強(qiáng)，主要的關(guān)鍵技術(shù)有多點(diǎn)/多面板發(fā)送以及多波束的增強(qiáng)技術(shù)，多點(diǎn)/多面板發(fā)送的數(shù)據(jù)可以由多個下行控制信道分別調(diào)度，或者單個下行控制信道聯(lián)合調(diào)度，多波束增強(qiáng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的主要內(nèi)容為輔小區(qū)的波束失敗恢復(fù)流程以及波束上報增強(qiáng)。未來3GPP Rel 17將針對實(shí)際的部署場景對大規(guī)模天線技術(shù)作進(jìn)一步的增強(qiáng)，包括高速移動場景的優(yōu)化，多個面板的波束選擇，上行密集部署場景下的多點(diǎn)發(fā)送和上行覆蓋增強(qiáng)以及FDD系統(tǒng)的部分信道互易性的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

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[3]? ? ? Huawei， HiSilicon. R1-1911902 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.

[4]? ? NTT DOCOMO. R1-1912893 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.

[5]? ?3GPP. 3GPP TS 38.213 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for control[S]. 2019.

[6]? ? 3GPP. 3GPP TS 38.214 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for data[S]. 2019.★

作者簡介

焦慧穎（orcid.org/0000-0001-5054-9294）：正高級工程師，博士，現(xiàn)任職于中國信息通信研究院，長期從事3GPP物理層關(guān)鍵技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作。

劉鵬：研究員，博士，現(xiàn)任職于中國艦船研究院，長期從事系統(tǒng)設(shè)計工作。