大規(guī)模天線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

高 程，張光輝，朱雪田

(中國電信股份有限公司北京研究院網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與規(guī)劃部，北京 102209)

0 引 言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，新業(yè)務(wù)對未來移動通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求：容納更多的用戶、更高的傳輸速率、更低的時延、更廣的覆蓋以及更優(yōu)的通信質(zhì)量等。這對下一代通信技術(shù)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。 為了提供更好的覆蓋和更高的容量，大規(guī)模天線應(yīng)運(yùn)而生。大規(guī)模天線是傳統(tǒng)MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出)技術(shù)的延伸，具有幾十到幾百根天線。大規(guī)模天線通過高增益、自適應(yīng)的波束賦形技術(shù)，集中能量打向被服務(wù)用戶，可以提升信噪比，進(jìn)而提升覆蓋。同時，大規(guī)模天線大大增加了空間自由度，為一到多個用戶提供更多的空間數(shù)據(jù)流，能夠有效的提升系統(tǒng)容量。

R15(Release 15，版本15)階段，3GPP(the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計(jì)劃)正在針對大規(guī)模天線進(jìn)行全面研究。其中，基本的大規(guī)模天線功能(階段I)將在2017年12月完成，未完成的功能將在階段II去實(shí)現(xiàn)。本文將對大規(guī)模天線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展進(jìn)行全面的總結(jié)與分析。

1 大規(guī)模天線與傳統(tǒng)MIMO的區(qū)別

大規(guī)模天線與傳統(tǒng)MIMO的區(qū)別如下：

·大規(guī)模天線引入更加靈活的參考信號和報告設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)切換，和傳輸方式解耦，如圖1所示。

圖1 大規(guī)模天線與傳統(tǒng)MIMO傳輸、測量、反饋的區(qū)別

·大規(guī)模天線引入“波束”的概念，支持高頻傳輸 (>6 GHz)。高頻傳輸路損嚴(yán)重，主要依靠大規(guī)模天線提供很大的波束賦形增益來對抗惡劣的傳播環(huán)境。

·大規(guī)模天線陣列架構(gòu)與傳統(tǒng)MIMO也有所不同。5G 時代，大規(guī)模天線可能在跨度巨大的多個頻段上使用。寬帶的大規(guī)模天線陣列如果仍采用基帶架構(gòu)不僅成本極高，而且寬頻帶系統(tǒng)需要高速的模擬/數(shù)字和數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，其功耗巨大。這種情況下，全射頻架構(gòu)(MIMO和波束賦型都在射頻完成)、混合架構(gòu)(將MIMO和波束賦形的控制和操作在基帶和射頻之間分離)是更為合適的大規(guī)模天線陣列實(shí)現(xiàn)方式。

·大規(guī)模天線支持更高精度的信道狀態(tài)信息反饋，其主要是為了實(shí)現(xiàn)更高的吞吐量和更高的傳輸層數(shù)(例如：12層)。

·大規(guī)模天線通過靈活的參考信號設(shè)計(jì)，支持前向兼容性。

·NR(New Radio，新空口)支持自包含幀。URLLC(Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，高可靠低時延通信)要求1ms的時延，因此，設(shè)計(jì)了自包含幀，使用自包含幀能更快拿到信道狀態(tài)信息，這也是增強(qiáng)信道狀態(tài)信息獲取的一種手段。同時，多用戶MIMO配對情況在不同子幀變化比較快，如果信道狀態(tài)信息獲取時延較大的話，就不能滿足調(diào)度需求，自包含幀能更好的支持多用戶MIMO。

圖2 自包含幀

2 大規(guī)模天線標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

2.1 多天線方案

目前，大規(guī)模天線主要考慮兩種方案[1]：

·方案1: 閉環(huán)方案；

·方案2: 基于分集的開環(huán)或者半開環(huán)方案。

方案1主要用在信道條件比較好、反饋準(zhǔn)確度高的情況，例如，慢速的時候主要采用方案1。方案2則主要用在反饋準(zhǔn)確度不高的場景(如高速場景)，可以使通信系統(tǒng)更魯棒。在方案2中，支持DMRS(Demodulation Reference Signal，解調(diào)參考信號)和數(shù)據(jù)使用相同預(yù)編碼的透明方案，信道狀態(tài)信息增強(qiáng)有待進(jìn)一步討論，比如預(yù)編碼循環(huán)。

下行支持單用戶8層傳輸，上行支持至少4層的單用戶傳輸。多用戶MIMO 支持12個DMRS端口。針對1到4層，使用一個碼字，針對5-8層，使用2個碼字。 大規(guī)模天線有多傳輸點(diǎn)傳輸和多面板傳輸，支持非相干聯(lián)合傳輸，支持多個物理下行共享信道和物理下行控制信道。

物理資源塊綁定主要應(yīng)用于組內(nèi)聯(lián)合信道估計(jì)，增強(qiáng)信道估計(jì)的性能。物理資源塊綁定支持可配置的物理資源組大小。這一點(diǎn)和LTE(Long Term Evolution，長期演進(jìn))不同。LTE有兩種模式，一是配置綁定，并根據(jù)系統(tǒng)帶寬配置綁定資源的大?。欢遣蛔鼋壎?。而NR系統(tǒng)中，系統(tǒng)帶寬將顯著增大，具有更多的應(yīng)用場景(如：互易性場景，多用戶MIMO場景，模擬波束等)，不同的應(yīng)用場景針對信道估計(jì)有不同的需求，此時，支持可配置的物理資源組大小有助于滿足滿足不同應(yīng)用場景的需求。

在資源映射上，NR保留傳統(tǒng)的映射方式，即采用層-> 頻率->時間的順序，更細(xì)化的一種方案是將層分成兩份，然后分別按照傳統(tǒng)映射方式映射。其他的方案仍需進(jìn)一步研究，如層-> 時間->頻率，這種映射方案可以獲得時間分集增益，在高速場景中能取得較好的效果。

上行MIMO方案支持基于碼本的方案、基于非碼本的方案以及混合方案。其中，基于碼本的方案基于DMRS進(jìn)行；基于非碼本的方案基于波束賦形的SRS(Sounding Reference Signal，信道探測參考信號)進(jìn)行；混合方案首先利用波束賦形SRS獲得粗略的方向性信息，在利用基于碼本的方案，達(dá)到降維的目的。

由于NR具有大帶寬的特點(diǎn)，頻率選擇性不能忽略。針對CP-OFDM(Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，帶循環(huán)前綴的正交頻分復(fù)用)，NR支持頻率選擇性預(yù)編碼，具體細(xì)節(jié)仍需進(jìn)一步討論。

2.2 波束管理

波束管理主要包括波束掃描、波束選擇、波束指示、波束報告、波束恢復(fù)等。

波束管理流程主要包含如下基本步驟：

·步驟1: 傳輸點(diǎn)發(fā)送波束掃描+用戶接受波束掃描；

·步驟2: 僅傳輸點(diǎn)發(fā)送波束掃描；

·步驟3: 僅用戶接受波束掃描；

圖3展示了一種波束掃描的過程。基站按照下行掃描周期周期性地進(jìn)行傳輸點(diǎn)發(fā)送波束掃描，掃描內(nèi)容涉及同步信號、物理廣播信道、波束參考信號等。上行掃描內(nèi)容主要涉及隨機(jī)接入資源，用戶在上行掃描子幀周期性地進(jìn)行上行掃描。

圖3 波束掃描過程示意圖

波束管理基于CSI-RS(Channel-State Information reference signals，信道狀態(tài)信息參考信號)進(jìn)行，是否基于SS block(Synchronization signals block，同步信號塊)需要進(jìn)一步討論。波束管理首先進(jìn)行波束掃描，根據(jù)參考信號測量和反饋，波束反饋基于波束分組進(jìn)行。同時波束信息需要指示給用戶，以協(xié)助用戶確定接收波束。

如下圖4所示，當(dāng)用戶移動、信道狀態(tài)變化或者信道阻塞，導(dǎo)致現(xiàn)有波束服務(wù)質(zhì)量不足以滿足用戶需求時，此時需要進(jìn)行波束恢復(fù)。波束恢復(fù)主要涉及波束恢復(fù)事件定義、檢測波束失敗、基于CSI-RS(是否基于SS block需要進(jìn)一步研究)[2]識別到可提供服務(wù)的波束等。波束恢復(fù)請求可以基于物理隨機(jī)接入信道或者物理上行控制信道傳輸[3]。

圖4 波束服務(wù)失敗示意圖

在高頻段，天線可以做的更小，未來終端可以支持更多的天線，因此，上行波束管理研究具有重要意義。上行波束管理可基于多個SRS資源管理多個上行波束。同時，波束管理可以考慮信道互易性帶來的上下行波束一致性。

2.3 信道狀態(tài)信息獲取

CSI-RS傳輸、信道狀態(tài)信息反饋的過程如下圖5所示。其中，信道狀態(tài)信息報告、CSI-RS傳輸支持周期性的、非周期性的和半周期性的。其中半周期性方式規(guī)定在一定時間內(nèi)完成一定次數(shù)的信道狀態(tài)信息報告或CSI-RS傳輸。

圖5 CSI-RS傳輸、CSI反饋的過程

在CSI-RS及信道狀態(tài)信息反饋研究中，將CSI-RS資源分成M個資源集，N個報告集，他們之間通過測量集聯(lián)系起來。參數(shù)包含在資源集和報告集中。其中，確定M和N的值需要考慮節(jié)點(diǎn)個數(shù)、用戶處理復(fù)雜度、用戶可以支持的報告數(shù)，周期/非周期等因素[4]。通過上述劃分，不同資源集可用于測量不同天線，實(shí)現(xiàn)不同功能，如圖6所示。

圖6 不同CSI-RS資源集合用于測量不同天線示意圖

然而，NR的干擾測量更加復(fù)雜，需要測量更多的干擾假設(shè)情況，也就需要更多的測量資源，開銷很大。在現(xiàn)有的研究中，采用ZP(Zero Power，零功率)和NZP(Non Zero Power，非零功率)參考信號聯(lián)合的干擾測量方案可以有效的降低開銷[5]。

NR支持兩種類型的信道狀態(tài)信息反饋：類型I信道狀態(tài)信息和類型II信道狀態(tài)信息[6]。類型I信道狀態(tài)信息是常規(guī)精度的碼本反饋，類型II信道狀態(tài)信息是線性合并碼本反饋。后者用于支持更高精度的反饋，以實(shí)現(xiàn)更高的容量。波束賦形CSI-RS的碼本可以是選擇的端口或合并碼本，并可根據(jù)天線配置靈活擴(kuò)展。

NR信道狀態(tài)信息反饋粒度有子帶、部分帶寬、寬帶三種。與LTE相比，其增加了部分帶寬選項(xiàng)[7]，因?yàn)镹R具有大帶寬的特點(diǎn)，部分帶寬可以更好、更靈活的支持不同業(yè)務(wù)、不同終端的不同需求。

2.4 參考信號設(shè)計(jì)

NR的參考信號設(shè)計(jì)部分主要考慮DMRS、CSI-RS、SRS、PTRS(Phase-tracking Reference Signals，相位追蹤參考信號)以及QCL。

NR的參考信號中增加了前載DMRS。前載DMRS的資源位置如下圖7所示，不同密度的前載DMRS適用于有不同精度要求的場景。使用前載DMRS的好處是能夠快速進(jìn)行信道估計(jì)。前載DMRS支持IFDMA(Interleaved Frequency Division Multiple Access，交織頻分多址)和FD-CDM(Frequency Division-Code Division Multiplexing，頻分-碼分復(fù)用)方式[8]。IFDMA類似SRS梳的方式。FD-CDM和碼分復(fù)用類似，其為連續(xù)頻域的兩個資源粒子做碼分復(fù)用。在高速場景下，支持發(fā)送額外的DMRS。同時，NR支持時域DMRS綁定。上行支持DFT擴(kuò)展OFDM和CP-OFDM兩種方式。針對CP-OFDM，支持對稱的下行/上行設(shè)計(jì)。DFT擴(kuò)展OFDM支持ZC(Zadoff-Chu，扎達(dá)爾· 舒)序列， CP-OFDM支持ZC序列和PN(Pseudo-noise Sequence，偽噪聲序列)序列。

圖7 前載DMRS示意圖

為了支撐大規(guī)模天線的應(yīng)用，CSI-RS擴(kuò)展到32端口。在一個時隙里X-端口 CSI-RS 資源可分布在N個OFDM符號上，但目前具體的CSI-RS樣式還沒結(jié)論。如果CSI-RS的位置比較靈活，前向兼容性會比較好。由于一個時域符號的資源粒子使用用相同的模擬波束賦形，NR支持一個OFDM符號里只配置CSI-RS。

SRS支持至少4個端口，梳度為2或4。NR支持周期性的、非周期性的和半靜態(tài)的SRS。為了更快的獲取信道信息，NR支持符號級別的SRS跳頻。由于NR具有大帶寬的特點(diǎn)，用戶上行功率受限，因此用戶不會使用全帶寬進(jìn)行傳輸。為了適應(yīng)用戶的需求以及給更多的用戶提供服務(wù)，NR支持可配置的SRS帶寬，支持僅在某些帶寬上調(diào)度一個用戶。

NR的一個顯著特點(diǎn)是采用高頻，在40 GHz或60GHz以下可以不考慮相噪，但在更高頻段，以及使用更高階的調(diào)制時，相噪不能忽略。而正交幅度調(diào)制依靠相位區(qū)分星座點(diǎn)，因此NR需要考慮相噪對解調(diào)的影響。為此，NR提出一種新的參考信號-PTRS。 PTRS是否存在及其樣式通過RRC(Radio Resource Control，無線資源控制)配置，也通過DCI(Downlink Control Information，下行控制信息)指示。目前認(rèn)為低頻段，相噪的影響可以忽略，NR通過RRC配置指示不會發(fā)PTRS；在高頻段，首先根據(jù)頻率、晶振硬件好壞來衡量相噪的影響是否不容忽略，如果影響很大，NR通過RRC配置指示會發(fā)PTRS，然后DCI會進(jìn)一步指示是否真的發(fā)PTRS。PTRS實(shí)質(zhì)上也是一種DMRS，只不過在時域上密度大一點(diǎn)，對頻率密度要求不高。這主要是為了適應(yīng)相噪在時間上變化快的特點(diǎn)，時域上密度大可以很好的跟蹤相噪的變化。PTRS的配置在頻率上和帶寬有關(guān)，時間上和調(diào)制階數(shù)有關(guān)[9]。即，如果采用256QAM(Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度調(diào)制)，需要每個OFDM都發(fā)PTRS，如果是64QAM，可能隔一個或者2個OFDM發(fā)一次即可。一組DMRS和一個PTRS聯(lián)系，因?yàn)樗麄児蚕硪粋€晶振。PTRS端口/預(yù)編碼與DMRS關(guān)聯(lián)。

與LTE相比，QCL參數(shù)增加了空間接收參數(shù)，多普勒/時延參數(shù)，平均增益等。因?yàn)槟M波束賦形并沒有數(shù)字域的邏輯波束概念[10]。同時，NR的QCL配置希望設(shè)計(jì)得更加靈活。

3 大規(guī)模天線階段II研究計(jì)劃

如下圖8所示，在階段II，大規(guī)模天線將利用21個月的時間完成如下研究內(nèi)容：

·增強(qiáng)的類型II信道狀態(tài)信息；

·增強(qiáng)的多傳輸點(diǎn)/多面板支持；

·增強(qiáng)的高頻支持；

·增強(qiáng)的上下行信道互易性支持(包含上行和下行傳輸)；

·其他增強(qiáng)。

圖8 階段II大規(guī)模天線研究計(jì)劃

4 結(jié) 語

大規(guī)模天線為實(shí)現(xiàn)5G更好的覆蓋和系統(tǒng)容量提供重要的支撐作用，目前3GPP正持續(xù)對大規(guī)模天線進(jìn)行研究。2017年底，3GPP將完成大規(guī)模天線基本功能的研究，2019年9月將完成大規(guī)模天線增強(qiáng)功能的研究。本文對大規(guī)模天線的多天線方案、波束管理、信道狀態(tài)信息獲取以及參考信號設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)與分析，為后續(xù)大規(guī)模天線的研究提供重要的參考。隨著各公司對大規(guī)模天線技術(shù)研究的深入，大規(guī)模天線技術(shù)將在5G系統(tǒng)中發(fā)揮重大作用。

[1] 3GPP. TR 38.802: “Study on New Radio (NR) Access Technology; Physical Layer Aspects”[S]. (2017-06-23)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp//Specs/archive/38_series/38.802/.

[2] ZTE, MediaTek, vivo, Spreadtrum, Qualcomm, ASTRI, AT&T, OPPO, Ericsson, LGE, Xinwei. R1-1709309: “WF on beam recovery”[S]. (2017-05-19)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_89/Docs/.

[3] Huawei, HiSilicon. R1-1709929: “General views on beam failure recovery”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[4] Qualcomm. R1-1711160: “Beam management for NR”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[5] InterDigital, Inc. R1-1710928: “On CSI acquisition for NR”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[6] Ericsson. R1-1711029: “Type I and Type II CSI reporting”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[7] Ericsson. R1-1711038: “On partial bands and CSI acquisition”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[8] Ericsson. R1-1711043: “On DL DMRS design”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/

WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[9] Huawei. HiSilicon, R1-1709939: “PTRS for CP-OFDM”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.

[10] Qualcomm Incorporated. R1-1711176: “Discussion on QCL”[S]. (2017-06-30)[2017-9-29]. http://www.3gpp.org/ftp/TSG_RAN/WG1_RL1/TSGR1_AH/NR_AH_1706/Docs/.