Pre5G Massive MIMO技术的研究

董帝烺

（中国联合网络通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

Pre5G Massive MIMO技术的研究

董帝烺

（中国联合网络通信有限公司福建省分公司，福建 泉州 362000）

介绍了Pre5G Massive MIMO所采用的大规模阵列天线、参考信号、传输模式、波束赋形和预处理等技术原理，对泉州Massive MIMO项目研究的MU-MIMO、波束赋形、移动性和切换等技术进行探讨。

5G技术4G化 Massive MIMO 参考信号 TM9 波束赋形 预编码

1 引言

随着移动宽带化的发展，高速率业务需求逐步增加，如VR/AR和高清视频等对无线网络速率的需求越来越高，同时移动用户在日常生活中对数据业务的需求越来越多，4G网络的流量呈指数级增长。5G网络技术也在加速发展，现阶段，将5G一些已经成熟的技术应用到目前的4G网络，可以进一步提升4G网络的性能，更好地提升用户感知。

把5G核心技术4G化，简称Pre5G，这是目前4G技术演进的一个趋势，其中，Massive MIMO技术是关键的一项技术。由于无线资源的逐渐受限，空间增益的追求更趋重要，为此演进发展了Massive MIMO概念，即大规模MIMO，它是利用大规模阵列天线，实现更精确的波束赋形，更高流数的复用及MU-MIMO等，为网络容量提升和用户网络体验的改善提供了更加有效的技术手段。

Massive MIMO的系统制式可以分为TDD系统和FDD系统，TDD系统由于上下行信道本身的互易性优势，实现起来较为容易，技术产品也较为成熟且已进入商用。FDD Massive MIMO技术受限于信道测量，需要更加复杂的信道估计和预编码，目前还处于研究阶段，还未投入商用。

2 Massive MIMO的技术原理

通信技术一直受限于香农定理，直到MIMO出现，它跳出了点对点单用户的条框，将单一点对点信道变换成多个并行信道来进行处理，以至于频谱效率主要取决于并行信道数量，从而提升了系统容量和频谱效率。MIMO是指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，采用空间分集的方法使不同的信号在相同的频率下同时传送。

2.1 大规模阵列天线

Massive MIMO是传统MIMO技术的扩展和延伸，通过基站侧利用大规模天线阵列（阵子数高达128或以上）形成多发多收的系统，达到32T32R，通过增加天线数增加系统的容量，并利用不同用户间信道的近似正交性降低用户间干扰，实现多用户空分复用。

Massive MIMO相比传统LTE系统，支持更高阶MU-MIMO，支持远超过8个用户同时传输数据，有更高、更远、更深的覆盖，且较大的阵列增益能提高发射功率的效率，降低基站能耗，实现绿色通信的最终目的。Massive MIMO适合于开阔空间覆盖，包括宏覆盖和中小面积热点区域覆盖。

2.2 参考信号和传输模式

为了支持最高达8层的空分复用，R10版本新增加了CSI-RS和DMRS这两种下行参考信号，同时新增加了一种新的传输模式TM9。终端基于CSI-RS信号进行测量，基于DMRS信号进行解调，从而实现了导频测量与解调功能的分离。传输模式TM9实现了SU-MIMO和MU-MIMO两种模式的统一。

（1）CSI-RS参考信号

R10版本之前的终端通过测量CRS（Cell-specific Reference Signal，小区专用参考信号）信号获得下行信道的状态信息，CRS信号最多只支持4层的空分复用。为了支持最多8层的空分复用，REL-10引入了CSI-RS信号，其目的是获得下行信道的CSI（Channel State Information，信道状态信息），以便实现与多天线传输相关的基于信道的调度、链路自适应以及传输模式的设置，CSI-RS信号对应天线端口15到22。

在时域，CSI-RS信号可以配置不同的周期，根据3GPP协议，CSI-RS周期可以为5 ms、10 ms、20 ms、40 ms和80 ms。通过设置不同的子帧偏置，CSI-RS信号可以配置在任何一个子帧上，但是为了避免CSI-RS信号与系统消息、同步信号、寻呼消息发生碰撞，包含上述内容的子帧不建议配置为CSI-RS子帧。由于REL-8/9终端不能识别CSI-RS信号，也不建议在CSIRS子帧上调度REL-8/9终端。在频率域，CSI-RS信号在配置为CSI-RS子帧的整个带宽上进行传输。

适合于FDD和TDD帧格式的CSI-RS参考信号结构如图1所示。

图1 CSI-RS映射图谱

（2）DMRS参考信号

DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）用于对某个特定的终端进行解调。对于REL-8版本，只有单端口的DM-RS信号，对应传输模式5；对于REL-9版本，有双端口的DM-RS信号，对应传输模式8。对于REL-10版本，最多可以有8端口的DM-RS信号，对应传输模式9。DM-RS信号与分配给某个终端的PDSCH同时传输。DM-RS信号的结构如图2所示。

（3）传输模式TM9

为了支持最多8层的空分复用，R10中新增了传输模式9。传输模式9可以支持1个SU-MIMO用户，该用户最多有8层PDSCH数据传输，或者最多支持4个MUMIMO用户，每个用户只有1层PDSCH数据传输，或者最多支持2个MU-MIMO用户，每个用户有2层PDSCH数据传输。

针对传输模式9，REL-10新增了PDCCH格式2C，该格式新增了层数、参考序列扰码以及天线端口配置等信息，以支持基于DMRS信号的MU-MIMO。

2.3 波束赋形和预处理

波束赋形是指大规模多天线系统可以控制每一个天线单元的发射（或接收）信号的相位和信号幅度，产生具有指向性的波束，消除来自四面八方的干扰，增强波束方向的信号，它可以补偿无线传播损耗。3D Beamforming是指在三维空间（水平和垂直空间）形成传输信号的分离波束。

波束赋型是基于智能天线的原理，利用来波方向DOA来估计方向。如图3所示，均匀线阵是由N个阵元等间距d排列成一条直线而组成。假设均匀平面波入射，d是阵元间距，不同阵元相对于参考点存在接收信号的路程差。阵元N相对于参考点阵元1产生的路程差是：(N-1)×d×sinθ，因此，相位差可以表示为：(N-1)×2πd×sinθ/λ，均匀线阵的导向矢量表达式为：

图3 来波方向计算示意图

预编码是使用预编码矩阵将层映射到天线端口的过程。预编码矩阵是R×P的矩阵，其中R为传输秩，即使用的传输层数，P为天线端口的个数。LTE支持2种方式进行下行天线预编码：基于码本的预编码和基于非码本的预编码。码本是有限的可用预编码矩阵的集合。UE只能从码本中选择合适的预编码矩阵（PMI）进行上报；而对于基于码本的预编码，eNodeB只能从码本中选择合适的预编码矩阵，并通过DCI告诉UE对应的下行PDSCH传输所使用的预编码矩阵。

在FDD Massive MIMO的实现中，基站向UE发送DMRS、CSI-RS参考信号，UE根据参考信号的解调和测量，将CSI反馈给基站，CSI包括宽带CQI、PMI。基站利用上行SRS的DOA估计再结合PMI的反馈，进行UE的波束赋形。

由于TDD系统上下行使用同一频段，可以单边地基于上行信道状况估计下行信道，即利用上下行信道的互易性来推断基站到终端的下行链路。而对于FDD系统，多了大量CSI反馈，随着天线数量的增加，不但开销增大，且反馈信息的准确性和及时性也存在降低的可能。因此，Massive MIMO在FDD上更难部署。TDD和FDD的对比如图4所示。

3 Massive MIMO目前的研究进展

从2016年年底开始，中国联通网络技术研究院、福建联通联合中兴通讯在泉州进行Massive MIMO技术的实验和研究。

图4 TDD和FDD的对比

3.1 容量提升

对于FDD系统Massive MIMO，当前主要考虑采用基于TM9的传输模式。在TM9模式下，下行需要增加UE专用解调参考信号DMRS和信道状态信息参考信号CSI-RS，因此也增加了信道的开销，使得在1 ms调度的TB size最多只有63 776 bit，在双流的情况下单用户最高的峰值速率只能127.55 Mb/s。

在研究测试配置中，CSI-RS配置天线端口数为4个，使用天线端口port15-18，周期TCSI-RS为5 ms，ΔCSI-RS指定了每个UE对应的CSI-RS在其5 ms周期内的第2个子帧发送。

在华侨大学杨思椿基站的现网测试中，单UE速率在120 Mb/s左右，通过DU METER测速软件可以清楚地看到当前这个UE的速率。根据后台统计小区总吞吐率，整体平均474 Mb/s左右，如图5所示，频谱效率达到普通LTE小区150 Mb/s速率的3倍以上。

图5 华大杨思椿站点的小区吞吐率（kb/s）

3.2 Beamforming增益

Massive MIMO采用波束赋形技术，将发射功率集中在窄波束上，以提升覆盖性能。在现场测试中，分别在近、中、远点，单用户对比测试FDD Massive MIMO功能关闭和开启下的RSSI值，两者之间的差值即为Beamforming的增益值。通过对Massive MIMO小区的近、中、远点波束赋形效果进行验证测试，获得了平均6 dB～8 dB的增益，可有效提升Massive MIMO系统的覆盖水平，具体如表1所示。

3.3 移动性能

FDD Massive MIMO在实现过程中，对信道的测量和估计非常重要，当UE处于移动过程中，信道的测量和估计显得更加复杂。并且，由于Massive MIMO是通过多个不相关用户进行MU MIMO的匹配，在移动过程中，当其中2个用户过近就会破坏MU MIMO的匹配。

表1 Beamforming增益

UE4在向UE3方向的移动过程中，离开该波束法线时，该UE空分效果变差，性能开始下降，达到波束切换点时，性能最低，发生波束切换后，速率回升并与所在波束的UE频分共享该波束下100个RB资源。理想情况下两个UE分别为50 Mb/s+，共计100 Mb/s+，实际情况由于无线信号复杂性可能有较大波动。

切换前小区总的速率450 Mb/s，切换过程中下降到300 Mb/s，基本稳定。

移动过程中，小区吞吐率平均在280 Mb/s左右。图6是后台统计出的各UE和小区总吞吐量的时序图。

3.4 切换性能

切换是移动通信一项非常关键的功能，是无线资源管理的重要部分，目前的研究显示，FDD Massive MIMO可以与同频、异频的普通LTE小区进行切换。

UE从FDD Massive MIMO小区PCI 51成功切换到同频LTE小区278（频点信息1650），切换后UE的TM模式从TM9更改为TM3。Massive MIMO同频切换普通小区信令图如图7所示。

UE从LTE小区PCI 278（频点信息400）成功切换到异频FDD Massive MIMO小区PCI 51（频点信息1650），UE的TM模式从TM3切换到TM9。普通小区异频切换Massive MIMO信令图如图8所示。

图6 Massive MIMO移动性测试各UE速率变化图

4 结束语

通过Massive MIMO试验研究结果来看，该技术在不增加频率、站址等资源的情况下，仅通过天线数的增加，就能提升3倍的网络容量，对4.5G/5G时代移动宽带业务爆发式容量需求能够发挥重要作用。当前Massive MIMO面临着设备成熟度、终端支持能力、成本、部署难度等方面的挑战，但随着设备厂家产品的逐步成熟及现网终端支持程度的提升，以及后续Massive MIMO与载波聚合、下行256QAM、上行64QAM等组合使用所带来的卓越性能，使其具备全面提升热点区域容量和业务体验的能力，Massive MIMO必将在未来发挥巨大的作用。

图7 Massive MIMO同频切换普通小区信令图

图8 普通小区异频切换Massive MIMO信令图

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Research on Pre5G Massive MIMO Technique

DONG Dilang
（China Unicom Fujian Branch, Quanzhou 362000, China）

The technical principles of large-scale array antenna, reference signal, transmission mode, beam forming and precoding adopted by Pre5G Massive MIMO were introduced. The techniques of MU-MIMO, beam forming,mobility and handoff of the Massive MIMO project in Quanzhou were discussed.

Pre5G Massive MIMO CSI-RS TM9 beam forming precoding

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.20.013

TN929.5

A

1006-1010(2017)20-0074-06

董帝烺. Pre5G Massive MIMO技术的研究[J]. 移动通信, 2017,41(20)： 74-79.

2017-07-24

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

董帝烺：高级工程师，毕业于厦门大学通信工程专业，现任职于中国联合网络通信有限公司福建省分公司运维部泉州片区优化中心，主要从事GSM、WCDMA、LTE的网络优化相关工作，进行移动网无线新技术的研究。