大規模天線技術的研究方向 |帶你讀《大規模天線波束賦形 技術原理與設計 》之九

第1章

多天線及波束賦形技術發展概述

1.5 天線陣列結構對MIMO 技術發展的影響

| 1.6 大規模天線技術的研究方向 |

盡管學術界已經對大規模天線波束賦形技術開展了較為廣泛深入的研究， 在從理論研究轉向标準化、實用化的重要轉折時期，仍然需要進一步深入研究若幹關鍵技術問題。

1．信道模組化

多天線技術方案的性能增益與應用場景和部署環境有非常密切的關系，因 此有必要結合下一代移動通信系統的部署場景與業務需求，有針對性地研究大 規模多天線技術的适用場景，并對其典型的應用場景及信道特性進行信道參數 的測量與模組化。此工作将為 Massive MIMO 的天線選型、技術方案設計與标準 方案制定提供方向性的指引，同時針對典型應用場景基于實測的信道參數模組化 也将為準确地建構技術方案評估體系，并準确地預測技術方案在實際應用環境 中的性能表現提供了重要依據。

MIMO 系統的性能非常依賴于系統采用的天線陣列的形式以及傳播環境 的特性，對于大規模天線技術也是如此。在大規模天線無線通信環境下，特别 是基站側配置大規模陣列天線的情況下，大規模天線信道的空間分辨率顯著增 強，信道是否存在新的特性，需要進一步探讨。在理想模型中，天線間不存在 相關性和互耦，額外增加天線單元，将顯著增加系統的自由度。而實際系統中， 空間信道的特性很難如此理想，陣列中的陣子通常間距較小，傳播環境中可能 也缺乏足夠多的散射體，上述因素都将影響大規模天線系統的空間自由度。

針對上述問題，3GPP Rel-12 中首先完成了針對 6GHz 以下頻段的 3D 化的 信道及應用場景模組化工作。基于上述架構及高頻段信道的實測結果，Rel-14 中 對 6～100GHz 頻段的信道和應用場景進行了模組化。結合 IMT-2020 系統性能評 估需求，ITU 也對相關模型進行了進一步擴充和完善。

2．大規模天線傳輸機制與信号處理關鍵技術

随着天線數量規模的增大、使用者數量的增加與帶寬的提升，在 MIMO 的傳 輸、檢測、排程等過程中，經常需要對大量高次元的矩陣進行運算，其系統複 雜度顯著升高。該問題在高頻段系統中顯得尤為突出。此外，在系統設計方面， 如參考信号、回報機制、控制信令、廣播/公共信号覆寫、接入與切換等，都需 要考慮天線數量規模增大所帶來的開銷、複雜度與性能的平衡難題，主要涉及 4 個方面，包括波束賦形技術、信道測量與回報技術、覆寫增強技術以及高速 移動解決方案、多使用者排程與資源管理技術。

在波束賦形技術方面，Massive MIMO 的性能增益主要是通過大規模陣列 構成的多使用者信道間的準正交特性保證的。然而，在實際的信道條件中，由于 裝置與傳播環境中的諸多非理想因素的存在，為了獲得穩定的多使用者傳輸增益， 仍然需要依賴下行發送與上行接收算法的設計來有效抑制使用者間乃至小區間的 同道幹擾。而傳輸與檢測算法的計算複雜度則直接與天線陣列數量規模和使用者 數相關。此外，基于大規模陣列的預編碼/波束賦形算法與陣列結構設計、設計成本、功率效率和系統性能都有直接的聯系。是以針對 Massive MIMO 的傳 輸與檢測方案的計算複雜度與系統性能的平衡将是該技術進入實用化的首要 問題。

在信道測量與回報技術方面，由于信道狀态資訊測量、回報及參考信号設 計技術對于實作 MIMO 技術十分關鍵，曆來都是 MIMO 技術研究的核心内容， 針對此問題的研究、評估驗證和标準化方案設計對于 Massive MIMO 技術實用 化發展都具有極其重要的價值。導頻資源是大規模天線系統中一個重要且有限 的資源。多小區場景中，由于相幹時間受限，小區間需要複用導頻。導頻複用 引起的導頻污染是大規模天線系統中影響性能的瓶頸。是以需要研究探測信号 （Sounding）、參考信号的設計機制以及高效的參考信号資源配置設定機制。同時， 在導頻污染的環境中，信道估計的準确性也顯得非常重要。為了有效地對抗幹 擾，需要研究更有效的信道與幹擾估計方法以及網絡側輔助機制以保證系統性 能。此外，參考信号設計與信道狀态資訊回報機制緊密相連，将直接影響到大 規模天線系統的效率與性能。信道狀态資訊回報是無線接入系統中資源排程、 鍊路自适應以及MIMO等基本功能子產品的重要基礎。如前所述，對于MU-MIMO 而言，信道狀态資訊的準确性對于整個系統的頻帶利用效率有着至關重要的影 響。随着天線規模的增大，對于基于碼本的回報機制而言，回報精度的提升與 開銷之間的沖突将更加突出。這種情況下，基于 TDD 制式特有的信道互易性 回報機制在信道狀态資訊精度、下行測量參考信号開銷以及回報開銷方面的優 勢也日益明顯。

在覆寫增強技術以及高速移動解決方案方面，天線規模的擴充對于業務信 道的覆寫将帶來巨大的增益，但是對于需要對全小區内所有終端進行有效覆寫 的廣播信道而言，則會帶來諸多不利影響。除此之外，大規模天線還需要考慮 在高速移動場景下，如何提供信号可靠高速率傳輸的問題。在這種場景下，大 規模天線系統面臨的大挑戰是信道資訊的劇烈時變性。此時，對信道狀态信 息擷取依賴度較低的波束跟蹤和波束拓寬技術，可以有效利用大規模天線的陣 列增益提升資料傳輸可靠性和傳輸速率，值得我們進一步探索。

在多使用者排程與資源管理技術方面，大規模天線為無線接入網絡提供了更 精細的空間粒度以及更多的空間自由度，是以基于大規模天線的多使用者排程技 術、業務負載均衡技術以及資源管理技術将獲得可觀的性能增益。

3．多天線協作傳輸

大規模天線波束賦形技術本身是針對單宏小區場景的非協作傳輸技術［至 少 2010 年貝爾實驗室提出大規模天線（Massive MIMO）概念時是針對上述場 景的］。根據此概念，大規模天線所能帶來的系統容量的提升來自大規模陣列對空間信道的白化，以及由此獲得的多使用者信道之間的近乎于正交的狀态，而 非通過小區之間或傳輸點之間的協作獲得。或者說應用了大規模陣列之後，理 想情況下不需要協作。但是如果小區之間存在某種協作機制，實際上有可能進 一步提升 Massive MIMO 的性能。例如，所謂的導頻污染問題可以通過協作機 制盡可能地規避。此外，需要關注的另一個問題是所謂的手電筒效應。使用波 束賦形技術之後，使用者接收到的鄰區幹擾可以用手電筒形成的光束來類比。随 着鄰區排程情況的變化或者鄰區被排程使用者的移動，造成幹擾的波束像手電筒 一般來回晃動或間歇性地打開/關閉。由此産生的幹擾的波動将非常劇烈，這種 情況下，通過 CQI 上報很難準确地預估幹擾的波動。如果沒有協調或協作機制 的存在，這種難以預測且劇烈波動的幹擾将會給 AMC（Adaptive Modulation and Coding）等鍊路自适應操作帶來非常嚴重的影響（尤其是使用了大規模陣列之 後，陣列增益非常之高，影響将更為嚴重）。是以，實際應用中，協作對于廣 域覆寫場景的集中式大規模天線系統也同樣是需要的。大規模天線系統的協作 需要重點考慮集中式大規模天線協作、分布式大規模協作以及集中式與分布式 共存的異構場景。

4．天線陣列設計

陣列天線的構架研究、高效、高可靠、小型化、低成本、子產品化收發元件 設計、高精度檢測與校準方案設計等關鍵技術問題将直接影響到大規模天線技 術在實際應用環境中的性能與效能，并将成為直接關系到大規模天線技術是否 能夠終進入實用化階段的關鍵環節。

如前所述，現有的移動通信系統中，普遍采用了被動式天線結構，每個天 線端口都需要一根獨立的射頻線纜與之相連。當需要獨立控制的天線端口數逐 漸增加時，大量的射頻線纜将給工程實作與後續營運維護帶來不可想象的困難。 除此之外，現有天線系統一般隻能支援在水準次元為每個使用者獨立調整波束， 但是在垂直次元隻能針對扇區覆寫需求統一設定波束形态。是以，基于這種陣 列的 MIMO 傳輸又被稱為 2D-MIMO。

針對上述問題，可将射頻（及部分基帶功能）和傳統的被動式天線陣列結 合在一起，構成有源天線技術。此時，可用光纖和直流電纜代替天線與其他設 備之間的大量射頻線纜連接配接，進而極大地簡化了施工和運維的難度。除此之外， 引入有源天線技術，為基帶的集中化與雲化處理創造了條件。更為重要的是， 二維平面陣列中，大量可控的天線端口的出現，為系統在三維空間中更為靈活 地調整波束創造了可能。

對于基于信道互易性的回報方式而言，校準問題顯得尤為重要。此外，在 大規模天線陣列中，部分通道或陣子可能會發生故障。是以大規模天線系統應當具有相應的檢測與容錯設計機制以保證 Massive MIMO 傳輸的可靠性。天線 陣列的校準、監測及容錯方案設計可以借鑒有源相控陣雷達系統中的一些成熟技術。

天線陣列的子產品化設計方案将十分有利于大規模天線系統的維護以及功 能擴充，是以高度子產品化将成為大規模天線陣列發展的一個重要方向。随着陣 列規模的增加，需要進一步地研究天線系統與地面裝置之間的功能劃分與接口 定義。如果沿用目前的接口方式将主要的基帶處理功能放置在天線系統之外， 則天線系統與負責基帶處理的基站或網絡中的集中式進行中心之間将存在巨大 的資料彙聚與互動負擔，其資料量需求将遠遠超過現有的通用公共無線電接口 （CPRI，Common Public Radio Interface）等接口所能支援的範圍。如果将包括 賦形向量計算等主要的基帶處理功能都內建在天線系統之内，則上述接口的通 信負擔将大大減輕。

Massive MIMO 前端系統從内部射頻通道結構上可分為數字陣和數模混合 陣兩大類。當天線數很大時，采用傳統的全數字架構勢必帶來巨大的計算複雜 度、功耗以及成本的上升。尤其在高頻段，混合的陣列架構将具有很大的應用 潛力。

5．高頻段的大規模天線技術

随着移動通信技術的發展，系統面臨更為嚴苛的需求，在進一步提升頻譜 利用效率的基礎上，擴充可用頻譜也将成為系統發展的必然方向。目前，3GPP 已經考慮将系統頻段擴充至 6～100GHz，在這樣的頻率範圍中，還有大量連續 的空閑頻段可以利用。信道資源的極大豐富并不意味着以信道資源使用率為優 勢的 MIMO 技術的重要性有所降低。恰恰相反，這種情況下，MIMO 技術将發 揮其獨有的且更為重要的作用。

在高頻段系統中，由于諸多不利因素的影響，無線信号的覆寫将更加具有 挑戰性。這種情況下，完全可以利用大規模天線陣列，形成高指向性、高增益 的波束，來克服信号傳輸中的諸多非理想因素，以保證覆寫距離和傳輸品質。 是以，大規模天線對于高頻段通信技術的應用推廣具有重大價值。

相對于低頻段而言，高頻段的大規模天線波束賦形方案設計需要考慮一些 特殊的因素。例如，出于複雜度、成本、功耗等因素的考慮，數字模拟混合賦 形甚至單純的模拟賦形将會成為系統設計的主要考慮方案。這種情況下，在數 字域複基帶信道狀态資訊之外，系統還需要考慮模拟波束的搜尋、跟蹤以及發 生阻擋時的快速恢複機制。此外，為了滿足覆寫需求，高頻段系統更适合部署 在以 LOS 徑為主的場景中，使用高增益波束的使用，使得信道頻率選擇性降低， 是以頻率選擇性預編碼/波束賦形對性能的改善作用有所降低。

1.7 大規模天線技術的應用場景