FDD Missive MIMO物理層設(shè)計(jì)方案及實(shí)現(xiàn)*

游 佳

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518055）

0 引 言

隨著LTE用戶數(shù)的增加和消費(fèi)者習(xí)慣的轉(zhuǎn)變，為了應(yīng)對智能手機(jī)廣泛應(yīng)用帶來的移動(dòng)數(shù)據(jù)爆炸式增長對現(xiàn)網(wǎng)容量的吞噬，移動(dòng)運(yùn)營商在有限的頻譜資源下，急需引入新的手段提升系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)流量。其中，大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）是提升LTE網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋的有效方法之一。通過大規(guī)模陣列天線和高階空分復(fù)用技術(shù)，在不改變現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)、無需租借新的頻譜資源的前提下，可以提高小區(qū)頻譜利用率和小區(qū)吞吐量，并且提供高層建筑的覆蓋。

1 方案設(shè)計(jì)原理

FDD Massive MIMO將5G的技術(shù)提前應(yīng)用到4G，通過大規(guī)模天線陣列和波束賦形，可以使不同用戶共享相同的頻譜資源，提升頻譜效率。

本方案的基本流程描述如下：

（1）基站側(cè)預(yù)置水平方向7個(gè)4天線波束，垂直11個(gè)間隔2°的2天線波束。

（2）CSI-RS[1-3]（Channel-State Information， 信 道狀態(tài)參考信號）根據(jù)配置周期，在不同時(shí)刻輪詢使用不同的水平波束權(quán)值發(fā)送小區(qū)級的CSI-RS，垂直使用某個(gè)下傾角度對應(yīng)的權(quán)值發(fā)送，達(dá)到覆蓋的目的；

（3）基站側(cè)根據(jù)上行的SRS[1-3]（Sounding Reference Signal，上行探測參考信號）信道估計(jì)值，計(jì)算水平波束和垂直波束能量投影；

（4）基站在對應(yīng)波束時(shí)刻（即CSI-RS輪詢到該波束的時(shí)刻）配置UE（User Equipment，用戶設(shè)備），進(jìn)行非周期的PMI[1-3]（Precoding Matrix Index，預(yù)編碼矩陣指示）反饋；

（5）基站根據(jù)SRS、碼本以及預(yù)置波束，計(jì)算零陷相關(guān)系數(shù)，用于UE間隔離度判決；

（6）基站側(cè) MAC[1-3]（Medium Access Control，媒體接入控制）處理模塊利用零限相關(guān)系數(shù)等信息進(jìn)行UE間空分配對；

（7）基站側(cè)PHY[1-3]（Physical Layer，物理層）處理模塊根據(jù)配對UE信息，各UE對應(yīng)的水平、垂直波束信息，PMI信息等，構(gòu)造32天線的賦形權(quán)值。

通過本方案的實(shí)施，能夠使空間隔離度滿足一定要求的UE共享頻譜資源，提升頻譜效率。

本方案的基本處理流程如圖1所示。

2 方案實(shí)施用例

本方案具體實(shí)施提供的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。UE周期性發(fā)送SRS信號，ENodeB（Evolved Node B,演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B）的SRS處理模塊根據(jù)接收的SRS信號進(jìn)行上行信道估計(jì)和投影能量、零陷相關(guān)系數(shù)計(jì)算；ENodeB的MAC調(diào)度模塊根據(jù)SRS模塊上報(bào)的投影能量、零陷相關(guān)系數(shù)，判決UE所在波束，并生成配對UE，將結(jié)果報(bào)給EnodeB的PHY權(quán)值生成模塊；EnodeB的PHY權(quán)值生成模塊生成UE的波束權(quán)值。

圖1 本技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)流程

圖2 本技術(shù)方案提供的一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 上行信道信道估計(jì)

基站側(cè)根據(jù)SRS模塊接收的信號進(jìn)行信道估計(jì)，得到信道估計(jì)值hi(k)。其中，i為對應(yīng)天線索引，k為對應(yīng)SRS信道相應(yīng)的樣本數(shù)，即SRS占用的RB（Resource Block，資源塊）數(shù)[4-5]。

2.2 計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的協(xié)方差矩陣

根據(jù)上行信道信道估計(jì)得到的信道估計(jì)值hi(k)，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻同一極化天線間的協(xié)方差矩陣。本方案采用32通道的物理天線，其中16天線為極化1，分別對應(yīng)天線端口0、2、…、30，另外16天線為極化2，分別對應(yīng)天線端口1、3、…、31，如圖3所示。

圖3 天線形態(tài)與CSI-RS Port映射關(guān)系

協(xié)方差矩陣計(jì)算分兩個(gè)極化分別進(jìn)行：

2.3 SRS投影能量計(jì)算

基站側(cè)的SRS模塊根據(jù)預(yù)置的水平7波束和垂直11波束，以及得到的當(dāng)前時(shí)刻的兩個(gè)極化方向的協(xié)方差矩陣R1和R2，分別計(jì)算水平7波束的投影能量和垂直11波束的投影能量，并根據(jù)水平7波束投影能量最大值確定UE所在的水平波束。同樣，根據(jù)垂直11波束投影能量最大值確定UE所在的垂直波束[4-5]。

其中，投影能量計(jì)算為：

其中m表示水平7波束，n表示垂直11波束，whCSI-RS(m)表示預(yù)置的水平波束4天線權(quán)值，RhSRS(m)表示第2.2章節(jié)中兩極化分別抽取4水平天線并做加權(quán)平均，表示預(yù)置的垂直波束2天線權(quán)值，(n)第2.2章節(jié)中兩極化分別抽取2垂直天線并做加權(quán)平均。

2.4 零陷相關(guān)系數(shù)計(jì)算

零陷相關(guān)系數(shù)主要用于配對UE間隔離度的判決。滿足一定判決門限的UE，就可以進(jìn)行空分配對。

具體計(jì)算方法如下[4-5]。

步驟1：預(yù)置水平方向基權(quán)向量表wnorm,h，維度8×8×7，對應(yīng)水平天線數(shù)×PMI向量×水平波束個(gè)數(shù)；

步驟2：預(yù)置垂直方向基權(quán)向量表wnorm,v，維度2×11，對應(yīng)垂直天線數(shù)×垂直波束個(gè)數(shù)；

步驟3：根據(jù)第2.2章節(jié)得到的協(xié)方差矩陣，抽取水平8天線的協(xié)方差矩陣并求矩陣逆，得到水平方向的零陷矩陣，維度8×8；

步驟4：根據(jù)第2.2章節(jié)中得到的協(xié)方差矩陣，抽取垂直2天線的協(xié)方差矩陣Rvof，維度2×2；

步驟5：根據(jù)水平方向基權(quán)向量表wnorm,h和水平方向的零陷矩陣，得到水平方向的相關(guān)系數(shù)矩陣CorrH，維度8×7，對應(yīng)PMI向量×水平波束個(gè)數(shù)；

步驟6：根據(jù)垂直方向基權(quán)向量表wnorm,v和垂直方向的協(xié)方差矩陣Rvof，得到垂直方向的相關(guān)系數(shù)矩陣CorrV，長度11，垂直波束個(gè)數(shù)。

2.5 MAC利用零限相關(guān)系數(shù)等信息進(jìn)行空分配對

MAC模塊根據(jù)第2.4章節(jié)得到的每個(gè)UE的水平方向的相關(guān)系數(shù)矩陣CorrH、垂直方向的相關(guān)系數(shù)矩陣CorrV以及UE反饋的PMI信息，判斷UE間的隔離度，進(jìn)行空分配對[4-5]。

2.6 構(gòu)造32天線的賦形權(quán)值

PHY根據(jù)配對UE信息和各UE對應(yīng)的水平、垂直波束信息，PMI信息構(gòu)造32天線的賦形權(quán)值[4-5]。

其中PMI為UE反饋的PMI矩陣，維度4×v，v是該用戶的層數(shù)；whCSI-RS是第2.3章節(jié)中確定的UE所在水平波束的預(yù)置權(quán)值，維度4×1；wvCSI-RS是第2.3章節(jié)中確定的UE所在垂直波束的預(yù)置權(quán)值，維度2×1；R-1是第2.2章節(jié)中兩個(gè)極化協(xié)方差矩陣的逆，表示對權(quán)值零陷，降低波束間干擾，維度32×32。

3 方案實(shí)施效果

FDD Massive MIMO使用大規(guī)模天線陣列和波束賦形，可以通過空分復(fù)用提升現(xiàn)網(wǎng)的頻譜效率。該技術(shù)作為5G的關(guān)鍵技術(shù)提前應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)，在不改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端的情況下，通過多個(gè)外場商用局的驗(yàn)證，頻譜效率可以給現(xiàn)網(wǎng)帶來70%～80%的增益。

表1為某聯(lián)通外場FDD Missive MIMO驗(yàn)證結(jié)果。通過FDD MM站點(diǎn)替換原同扇區(qū)的宏站，用戶的下行數(shù)據(jù)需求得到釋放，小區(qū)下行數(shù)據(jù)量平均提升83.29%，下行頻譜效率提升了77.82%。從空口速率的角度看，下行流量提升后，小區(qū)空口下行業(yè)務(wù)平均速率也獲得提升，且在用戶數(shù)保持不變的情況下，空口下行單用戶速率相應(yīng)提升。

表1 FDD MM與宏站替換前后對比

4 結(jié) 語

本技術(shù)方案是提前對5G技術(shù)的探索，不需要改變現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和終端支持，而是使用大規(guī)模天線陣列和波束賦形技術(shù)，通過空分復(fù)用提升現(xiàn)網(wǎng)的頻譜效率，可為后面的5G技術(shù)演進(jìn)奠定基礎(chǔ)。