大規模天線技術的應用場景 |帶你讀《大規模天線波束賦形技術原理與設計 》之十

第1章

多天線及波束賦形技術發展概述

1.6 大規模天線技術的研究方向

| 1.7 大規模天線技術的應用場景 |

基于大規模有源陣列天線的波束賦形技術為大幅度提升下一代移動通信 接入網性能提供了重要的技術手段。然而，大規模天線技術在頻譜效率與系 統容量方面的巨大優勢隻有在适用的應用場景中才能得以展現。隻有将大規 模天線的技術方案設計與應用場景的具體特征有機地融合在一起，才能有針 對性地優化大容量 MIMO 技術與标準化方案。随着網絡構架與組網方式的變 革，任何一種新型無線接入技術的設計與标準化都需要建立在準确且有預見 性的應用場景模型基礎之上。準确地模組化大容量 MIMO 的應用場景，對于具 體技術方案的性能評估、對比、分析，天線形态的選擇與标準化方案的制定 都具有十分重要的指導意義。同時應用場景的研究與模組化也将對大規模天線 技術在未來實際網絡中的部署與網絡規劃方案設計提供寶貴的借鑒。 目前可以預見的是，大規模天線的應用場景主要包括室外宏覆寫、高層 建築覆寫、熱點覆寫與無線回傳等。關于大規模天線技術應用場景的具體描 述可以參考本書第 3 章。

1.8 多天線技術的标準化狀況

MIMO 技術對于提高資料傳輸的峰值速率與可靠性、擴充覆寫、抑制幹擾、 增加系統容量、提升系統吞吐量有着重要作用。鑒于此，在以 LTE 為代表的 4G（the 4th Generation）系統中，廣泛采用了 MIMO 技術。面對速率與頻譜效 率需求的不斷提升，對 MIMO 技術的增強與優化始終是 LTE 系統演進的一個 重要方向[13]。

LTE Rel-8 基于發射分集、閉環/開環空間複用、波束賦形與多使用者 MIMO 等 MIMO 技術定義了多種下行傳輸模式以及相應的回報機制與控制信令，基本 涵蓋了 LTE 系統的典型應用場景。LTE Rel-8 中的下行 MIMO 技術主要是針對 單使用者傳輸進行優化的，其 MU-MIMO 方案在預編碼方式、預編碼頻域顆粒度、 CSI 回報精度及控制信令設計方面存在的缺陷在很大程度上限制了 MU-MIMO 傳輸與排程的靈活性，不能充分發揮 MU-MIMO 技術的優勢。另外，LTE Rel-8中還采用了單流波束賦型技術，用以提升接收信噪比以及改善傳輸速率和覆寫。

針對該問題，LTE Rel-9 中引入的雙流波束賦形技術從參考符号設計及傳 輸與回報機制角度對MU-MIMO傳輸的靈活性及MU-MIMO功能進行了如下改 進：采用了基于專用導頻的傳輸方式，可以支援靈活的預編碼/波束賦形技術； 采用了統一的 SU/MU-MIMO 傳輸模式，可以支援 SU/MU-MIMO 的動态切換； 采用了高階 MU-MIMO 技術，能夠支援 2 個 Rank 2 UE 或 4 個 Rank 1 UE 共同 傳輸；支援基于碼本與基于信道互易性的回報方式，更好地展現了對 TDD 的 優化。

LTE Rel-10 的下行 MIMO 技術沿着雙流波束賦形方案的設計思路擴充：通 過引入 8 端口導頻以及多顆粒度雙級碼本結構，提高了 CSI 測量與回報精度； 通過導頻的測量與解調功能的分離，有效地控制了導頻開銷；通過靈活的導頻 配置機制，為多小區聯合處理等技術的應用創造了條件；基于新定義的導頻端 口以及碼本，能夠支援多 8 層的 SU-MIMO 傳輸。Rel-10 的上行鍊路中也開 始引入空間複用技術，能夠支援多 4 層的 SU-MIMO。

經曆 3 個版本的演進，LTE 中 MIMO 技術日漸完善，其 SU 與 MU-MIMO 方案都已經得到了較為充分的優化，MIMO 方案研究與标準化過程中制定的導 頻、測量與回報機制也已經為引入 CoMP 等技術提供了良好的基礎。在缺乏新 的技術推動力與場景需求的情況下，LTE Rel-11 中，單小區 MIMO 技術沒有得 到進一步的發展。但是在 Rel-11 中，LTE 将單小區的 MIMO 技術擴充到了多 小區、協作化的 MIMO，引入了 CoMP（Coordinated Multiple Points）技術。

Rel-12 中延續雙級碼本結構改造了 4 天線碼本，同時還增加了一種支援頻 率選擇性 CQI 和 PMI 的回報模式。此外，3GPP 基于實測資料制定了 3D 信道 模型。

Rel-13 及後續版本中，MIMO 技術逐漸向着三維化和大規模化天線波束賦 形方向發展。直至目前，3GPP 讨論的 5G 系統中，始終都把多天線技術作為一 項核心技術進行研究。

在已經完成的 3GPP Rel-13 版本中，3GPP 已經定義了能夠支援多 16 個 端口的 FD-MIMO（Full-Dimension MIMO）方案。Rel-14 中則進一步将 eFD-MIMO（enhanced FD-MIMO）的端口數提升至 32 個，并将支援非周期 CSI-RS （ Channel State Information-Reference Signal ）、上行 DM-RS （DeModulation-Reference Signal）增強等新技術方案。上述 FD/eFD-MIMO 技術 可以被認為是大規模天線波束賦形技術進入标準化的初級階段。

在 5G 系統的第一個版本（Rel-15）中，3GPP 對包含數模混合賦形在内的 大規模天線波束賦形技術進行了标準化。除了擴大天線數量規模之外，5G 新空口（NR）系統從幀結構、導頻優化、回報機制、波束管理、波束掃描、靈活參 數集合設計等方面持續擴充大規模天線技術方案的功能以有效提升頻譜效率和 系統容量。在 Rel-16 及後續版本中，大規模天線波束賦形技術仍是标準化過程 的一大熱點。

1.9 小 結

大規模天線波束賦形技術為系統頻譜效率、使用者體驗、傳輸可靠性提供了 重要技術手段，同時也為異構化、密集化的網絡部署環境提供了靈活的幹擾控 制與協調手段。目前，大規模天線波束賦形理論研究為 MIMO 技術的進一步發 展提供了有力支援，資料通信業務飛速發展則為推動 MIMO 技術的繼續演進提 供了強大的内在需求，而相關實作技術的日漸成熟則為大規模天線技術的标準 化、産業化提供了必要的條件。随着一系列關鍵技術的突破以及器件、天線等 技術的進步，裝置發射功率、功放效率、裝置體積重量等名額将持續提升以滿 足大規模商用的需求。在上述基礎之上，大規模天線技術必将在 5G 系統中發 揮重大作用。

本書後續章節的安排如下：第 2 章對大規模天線波束賦形系統的基本原理 和技術理論進行介紹，對其信道容量和譜效、能效問題進行了分析與讨論；第 3 章對大規模天線波束賦形系統的應用場景與信道模組化問題進行了介紹；第 4 章中讨論了大規模天線波束賦形系統的導頻設計與信道估計、傳輸與檢測技術、 CSI 的擷取、大規模天線校準以及基于大規模天線系統的協作等關鍵技術；第 5 章結合大規模天線波束賦形技術的标準化進展，讨論了大規模天線波束賦形 系統的傳輸方案、實體信道、參考信号、信道狀态資訊回報等關鍵的技術設計 方案，并對相關技術的标準化情況進行了介紹；第 6 章中将對大規模天線波束 賦形技術的原型平台以及相應的實驗驗證與方案測試情況進行介紹。

| 2.1 Massive MIMO 技術基本原理 |