面向6G的無蜂窩大規(guī)模MIMO無線傳輸技術(shù)*

王東明

（1.東南大學移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.網(wǎng)絡通信與安全紫金山實驗室，江蘇 南京 211111）

0 引言

5G移動通信系統(tǒng)已商用化部署，其持續(xù)演進將與實體經(jīng)濟深度融合，形成良好的5G產(chǎn)業(yè)生態(tài)。在此背景下，國際組織及各國政府均已計劃開展6G移動通信系統(tǒng)的研究。目前，雖然6G還未有統(tǒng)一的定義，但應用場景、技術(shù)趨勢及關鍵指標方面已有一些初步的共識[1]。2021年6月6日，我國工信部IMT-2030(6G)推進組正式發(fā)布了《6G總體愿景與潛在關鍵技術(shù)》白皮書[2]，梳理出6G的總體愿景和八大業(yè)務應用場景及相應的指標需求，提出了6G的一些關鍵技術(shù)指標，包括：系統(tǒng)峰值傳輸速率將達到Tbit/s量級、用戶體驗速率達到10 Gbit/s、時延低至百μs量級同時可靠度達到99.999 99%等，并提出了十大關鍵技術(shù)，指出6G將在5G的基礎上，繼續(xù)深度挖掘低頻段的潛力，提高系統(tǒng)的頻譜效率；深耕毫米波頻段提高傳輸速率及系統(tǒng)的魯棒性，并向太赫茲直至光頻段，拓展無線通信的頻譜資源，提供超高容量、超大規(guī)模移動通信服務。

空口無線傳輸技術(shù)一直是歷代移動通信系統(tǒng)的核心能力的體現(xiàn)，也是實現(xiàn)6G關鍵指標的主要技術(shù)途徑。在現(xiàn)有5G使用的頻譜中（包括毫米波和sub-6GHz頻段），頻譜資源的緊缺問題仍然非常突出，頻譜效率亟需進一步提升。

多天線技術(shù)及密集組網(wǎng)作為提高頻譜效率的主要方法在3G～5G中得到廣泛應用，基站的發(fā)送天線數(shù)從3G應用的2根增加到5G應用的64甚至128根，小區(qū)分裂也從宏蜂窩、微蜂窩到微微蜂窩。然而，集中式系統(tǒng)中增大天線規(guī)模遇到的物理實現(xiàn)問題和小區(qū)分裂遇到的干擾問題，使得5G系統(tǒng)的頻譜效率并不能持續(xù)性提升。因此，需要打破傳統(tǒng)蜂窩架構(gòu)以及小區(qū)分裂的思維方式，采用新型的無蜂窩組網(wǎng)及相應的大規(guī)模協(xié)作MIMO傳輸技術(shù)[3]。

由于低頻段頻譜資源幾近枯竭，拓展頻譜資源是提高峰值速率最直接的方法，因而從5G的毫米波到更高頻段的太赫茲成為滿足6G峰值速率的主要解決手段。然而，高頻段的大帶寬、近光學和易被遮擋等特點，使其在移動通信應用中面臨眾多技術(shù)挑戰(zhàn)。在無蜂窩架構(gòu)下，通過協(xié)作傳輸，可以有效解決高頻段易被遮擋的問題，提高鏈路的魯棒性。

本文首先介紹了無蜂窩大規(guī)模MIMO與技術(shù)的關系，然后分別針對低頻段和高頻段介紹了無蜂窩大規(guī)模無線傳輸?shù)年P鍵技術(shù)，并對無蜂窩大規(guī)模MIMO的未來的研究方向進行了探討。

1 多天線技術(shù)的演進及無蜂窩系統(tǒng)的技術(shù)原理

1.1 多天線技術(shù)的演進

多天線技術(shù)是提高無線通信系統(tǒng)頻譜效率的有效途徑。從2G到5G，基站天線數(shù)從傳統(tǒng)的1發(fā)1收到64發(fā)64收，并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流從1到16，系統(tǒng)的頻譜效率也從0.5到100 bit/s/Hz，實現(xiàn)了大幅度的提升。如圖1（a）～（c）所示，從3G到5G，多天線技術(shù)也歷經(jīng)了點到點MIMO、點到點多用戶大規(guī)模MIMO和多點到多點的多用戶分布式MIMO。商用5G在室內(nèi)場景采用了基于點到點MIMO技術(shù)的小蜂窩組網(wǎng)（Small cell），在室外宏蜂窩場景采用了64發(fā)64收有源天線單元的大規(guī)模MIMO。5G小蜂窩組網(wǎng)通過密集部署低功率小站增強覆蓋和傳輸速率，但是其面臨的干擾問題使其容量難以進一步提升。5G大規(guī)模MIMO可大幅提高頻譜效率，但同時其功耗、重量和成本都較大，通過進一步增加單站天線提升性能的方案將遇到瓶頸。

在蜂窩移動通信系統(tǒng)的部署中，采用光纖拉遠的遠端無線單元（RRU）可增強覆蓋。一種簡單的方式是，基站的基帶單元（BBU）為不同的用戶分配不同的時頻資源，上行接收時多個RRU的基帶信號經(jīng)過時域合并后送至BBU，下行發(fā)送時多個RRU發(fā)送相同的信號。這種共小區(qū)實現(xiàn)方式目前仍被廣泛應用于5G小蜂窩室內(nèi)部署，也是早期分布式天線系統(tǒng)的概念。當多個RRU的接收信號透明地匯聚到BBU，采用協(xié)作傳輸技術(shù)形成多用戶分布式MIMO（如圖1（c）所示），可獲得空間復用增益和宏分集。不同于共小區(qū)實現(xiàn)，分布式MIMO的多個用戶可以共享相同的時頻資源，進而顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率[4]。

圖1 多天線技術(shù)的演進

1.2 CoMP、C-RAN、分布式MIMO及無蜂窩系統(tǒng)的關系

RRU的分布式部署以及云無線接入網(wǎng)（Cloud-RAN）的應用，為分布式協(xié)作傳輸?shù)膶崿F(xiàn)提供了基礎設施的支撐。C-RAN引入基帶池的概念，將多個RRU的基帶信號匯聚到基帶池，進而提高系統(tǒng)的靈活性并降低部署的成本。C-RAN是一種無線接入網(wǎng)的部署和實現(xiàn)形式，它可以支持協(xié)作傳輸，也可以支持非協(xié)作傳輸。目前在4G和5G的C-RAN商用部署中，并沒有采用聯(lián)合處理的協(xié)作傳輸。

4G引入了協(xié)作多點傳輸（CoMP）技術(shù)。CoMP允許一個小區(qū)內(nèi)多個接入點之間的協(xié)作以及小區(qū)間的多個站點的協(xié)作。CoMP協(xié)作傳輸技術(shù)包括聯(lián)合處理、干擾協(xié)調(diào)、協(xié)作波束賦形、協(xié)作調(diào)度。但是，4G引入的CoMP技術(shù)仍然是基于蜂窩的實現(xiàn)，并且由于站點間交互的容量受限、協(xié)作節(jié)點及天線數(shù)受限，CoMP的優(yōu)勢并沒有被發(fā)揮出來。

無蜂窩大規(guī)模MIMO的基礎設施仍依賴于分布式RRU部署，理論上仍然是一種多用戶分布式MIMO。無蜂窩系統(tǒng)可以采用集中式處理和分布式處理。集中式處理可以采用C-RAN的部署方式，多個RRU的基帶信號匯聚到集中式的BBU池，在BBU池實現(xiàn)聯(lián)合處理。理論上，這種集中式實現(xiàn)可以獲得最優(yōu)的性能[4]。但是，由于BBU池的信號處理能力存在實現(xiàn)上的瓶頸，進而很難實現(xiàn)“無蜂窩”規(guī)模的無限擴大。

1.3 可擴展的無蜂窩大規(guī)模MIMO

圖2給出了一種可擴展實現(xiàn)的無蜂窩的上行傳輸方法[5]。系統(tǒng)中有K個用戶，有N個單天線RRU。對于上行傳輸，在每個RRU，其接收信號yn，先進行相干接收，可以得到K個用戶信號sk的初步檢測結(jié)果，對檢測結(jié)果進行量化后，根據(jù)需要，分別發(fā)送給下一級基帶處理單元。在基帶處理單元中，對多個RRU發(fā)送的特定用戶的檢測結(jié)果進行合并，可以得到該用戶最終的檢測結(jié)果。

采用上述的實現(xiàn)方式有如下的優(yōu)點：（1）分布式相干接收在RRU實現(xiàn)，無需與其它RRU交互任何信道信息；（2）理論上，即使采用簡單的信道的共軛相乘的相干接收，當RRU個數(shù)N趨于無窮大，仍可以消除用戶間干擾；（3）在前傳網(wǎng)絡的支持下，用戶合并可以在不同的基帶單元中實現(xiàn)，進而可以實現(xiàn)RRU規(guī)模及用戶規(guī)模的任意擴展。因此，上述的無蜂窩實現(xiàn)方式是可擴展的。

對于下行鏈路，我們?nèi)钥梢圆捎脠D2所示的可擴展實現(xiàn)。可以看到，采用分布式實現(xiàn)，其核心思想是，收發(fā)機被切分為相干接收/發(fā)送、信號合并/分發(fā)兩個實體模塊。從理論上，這兩個模塊可以分布式實現(xiàn)，進而系統(tǒng)規(guī)?？梢詿o限擴大。但是，無蜂窩的分布式實現(xiàn)與集中式實現(xiàn)相比，也有以下問題：（1）集中式實現(xiàn)可以采用更優(yōu)的接收機和預編碼，因此，相比分布式，集中式能獲得更好的性能；（2）分布式實現(xiàn)可能引發(fā)前傳開銷的增大，如圖2所示，每個RRU需要把每個用戶的檢測輸出發(fā)送給下一級處理，因此前傳開銷大幅度增加。

圖2 可擴展無蜂窩的上行傳輸原理示意圖

從上述的介紹可以看到，無蜂窩大規(guī)模MIMO是分布式MIMO、CoMP的一種實現(xiàn)架構(gòu)上的創(chuàng)新，與C-RAN也有一定的區(qū)別。下面，我們分別介紹無蜂窩大規(guī)模MIMO在高頻段、低頻段上實現(xiàn)面臨的挑戰(zhàn)與關鍵技術(shù)。

2 低頻段無蜂窩大規(guī)模MIMO關鍵技術(shù)

在sub-6GHz低頻段，大規(guī)模分布式MIMO的信道的具有如下特點：（1）多用戶到多節(jié)點時延各不相同，導致信道在頻域變化較大；（2）多個用戶到多個節(jié)點的多普勒頻偏不盡相同，用戶移動時導致信道在時域也變化較大；（3）用戶和節(jié)點規(guī)模大，導致信道矩陣維度大。上述三個特點導致無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信道估計信息獲取、傳輸方法設計等方面均面臨挑戰(zhàn)。

2.1 信道信息獲取技術(shù)

采用時分雙工模式，可以利用空口信道的互易性，根據(jù)上行探測獲得下行信道信息，進而降低下行信道信息獲取的難度。因此，空口的互易性校準對無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)有重要的作用。隨著射頻芯片技術(shù)的進步，單個RRU內(nèi)部多通道的一致性已較為成熟。但是，由于無蜂窩系統(tǒng)要求多個RRU之間的空口校準?？紤]到RRU之間距離較大，需要研究高性能的校準算法，例如文獻[6]提出的迭代坐標下降法空口校準。另外，在實際部署中，由于多個RRU很難做到共時鐘，下行聯(lián)合預編碼需要考慮RRU之間的時鐘偏差?？紤]到RRU之間的時鐘偏差可以采用空口信號估計和跟蹤，需要聯(lián)合設計RRU之間的空口信號，實現(xiàn)時鐘同步及互易性校準。幸運的是，由于5G NR的靈活幀結(jié)構(gòu)，RRU間的空口信號可以做到對終端透明。

當上行空分用戶較多時，上行探測信道的導頻開銷是一個重要的問題。利用信道功率域的稀疏性，采用導頻復用技術(shù)，可以降低導頻開銷[4]。對于上行數(shù)據(jù)信道，我們需要估計多個用戶到多個RRU之間的時延、多普勒等統(tǒng)計信息，采用參數(shù)化信道估計方法，可獲得較為精確的解調(diào)參考信號的信道估計值。

下行信道狀態(tài)信息參考信號（CSI-RS）對下行共享信道的信道估計有重要的輔助作用。采用終端透明的跟蹤參考信號（TRS）可以實現(xiàn)對多個RRU復合信道的統(tǒng)計特性獲取。但是，當無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)采用以用戶為中心的傳輸方法時[7]，只有部分RRU為用戶服務，采用傳統(tǒng)的TRS，會造成統(tǒng)計特性測量的不匹配。因此，在以用戶為中心的無蜂窩大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，需要研究CSI-RS配置和設計。

2.2 分布式傳輸方法

為了實現(xiàn)無蜂窩的無限擴展，需要考慮分布式協(xié)作接收機和預編碼。對于上行接收機，在RRU側(cè)采用獨立的多用戶檢測可以分離多個用戶的信號，多用戶檢測可采用最大比合并、迫零、最小均方誤差、最大似然等接收機。多用戶檢測后的用戶信號經(jīng)過量化后發(fā)送到下一級進行用戶信號的合并。對于下行預編碼，可以采用RRU獨立的最大比發(fā)送、迫零預編碼或正則化迫零預編碼?？紤]到在RRU側(cè)實現(xiàn)獨立的接收機或預編碼前傳開銷較大、性能較差，需要研究部分RRU聯(lián)合的接收機或部分RRU聯(lián)合預編碼。

如前所述，整體上無蜂窩系統(tǒng)的信道在時頻上的變化較大。采用聯(lián)合預編碼和接收機的難點在于實現(xiàn)的復雜性。例如，當多個子帶采用同一個預編碼時，子帶不能夠太寬。采用文獻[4]的干擾抑制接收機時，相同干擾抑制矩陣的子帶寬度也不能太寬。

與上下行傳輸相關的還有終端上行的功率控制和下行的多用戶功率分配。與傳統(tǒng)的集中式MIMO不同，對于無蜂窩系統(tǒng)需要根據(jù)終端的QoS需求，實現(xiàn)上行的功率控制。學術(shù)界對協(xié)作MIMO的下行功率分配有較多研究。但是對于無蜂窩系統(tǒng)，需要考慮算法的可擴展性。另外，當多RRU聯(lián)合預編碼時，功率分配需要考慮每個RRU的功率約束。文獻[8]提出了采用貪婪算法實現(xiàn)的可擴展功率分配方法。

當采用以用戶為中心的無蜂窩系統(tǒng)時，還需要研究用戶與RRU的關聯(lián)。由于多節(jié)點的協(xié)作能力，采用上行探測信道及接收信號強度等定位方法，可以獲得用戶位置信息。根據(jù)用戶位置信息，進而可以實現(xiàn)用戶與RRU的關聯(lián)，并可以輔助參考信號的復用。

3 高頻段無蜂窩大規(guī)模MIMO關鍵技術(shù)

毫米波是5G引入的新技術(shù)。由于毫米波的近光學、易被遮擋特性，鏈路的魯棒性是其主要挑戰(zhàn)之一。因此，當前5G毫米波并沒有大規(guī)模的商用。另外，由于毫米波系統(tǒng)的符號持續(xù)時間短，其也是實現(xiàn)低時延的一個技術(shù)途徑。將協(xié)作傳輸技術(shù)引入毫米波系統(tǒng)，一方面可以解決其魯棒性問題，實現(xiàn)超低時延超高可靠傳輸，另一方面，可以提高系統(tǒng)的頻譜效率，進而提高系統(tǒng)總吞吐量。因此，毫米波大規(guī)模協(xié)作MIMO結(jié)合無蜂窩實現(xiàn)架構(gòu)，將是滿足6G高峰值速率、高頻譜效率及低時延高可靠的關鍵技術(shù)之一。

然而毫米波無蜂窩大規(guī)模MIMO將面臨更多的挑戰(zhàn)，包括：（1）受到相噪的影響以及毫米波射頻前端通道一致性的限制，整體的上下行信道是否具有互易性以及校準的時效性尚需要研究。（2）由于毫米波系統(tǒng)通常采用混合預編碼，在無蜂窩系統(tǒng)中，多個節(jié)點和多用戶的波束掃描需要進一步研究。（3）毫米波的上行聯(lián)合接收具有較強的可實現(xiàn)性，但是，不同于低頻段，接收機需要設計模擬接收波束。根據(jù)上行探測信道可以求解出模擬接收波束。經(jīng)過模擬接收波束后，結(jié)合類似低頻段的接收機實現(xiàn)方式，可解決上行的多用戶干擾。（4）下行多用戶協(xié)作傳輸是系統(tǒng)的難題，尤其是如何獲得下行信道信息，實現(xiàn)混合預編碼。當空口的互易性可用時，可使用協(xié)作的混合預編碼設計[9]。當空口的互易性不可用時，需要終端反饋下行信道。采用人工智能的方式實現(xiàn)信道的壓縮反饋是近期的研究熱點[10]，利用毫米波系統(tǒng)信道的稀疏性，反饋開銷有望降低到可接受的程度。

4 基于無蜂窩大規(guī)模MIMO的網(wǎng)絡輔助全雙工技術(shù)

雙工方式也是移動通信標準所關注的熱點。5G采用了靈活雙工。隨著同時同頻全雙工（CCFD）技術(shù)的逐漸成熟，其在6G中的應用被進一步關注。但是5G引入的靈活雙工以及CCFD在組網(wǎng)時，不可避免地面臨交叉鏈路干擾問題[11]，即：處于發(fā)送狀態(tài)的RRU對處于接收狀態(tài)的RRU的干擾和處于上行發(fā)送的終端對處于下行接收終端的干擾。無蜂窩大規(guī)模MIMO的協(xié)作傳輸能力為更加自由的雙工提供了有力支撐。

圖3給出了基于無蜂窩構(gòu)架的網(wǎng)絡輔助全雙工（NAFD）示意圖，它實現(xiàn)了真正意義上的靈活雙工方式[12]。其主要工作原理包括：上下行無線鏈路在相同的頻率資源上同時進行；每個RRU通過前傳鏈路連接到基站基帶處理單元（BBU），并由BBU實現(xiàn)聯(lián)合基帶處理；每個RRU由一個收發(fā)機來實現(xiàn)發(fā)送或接收或同時發(fā)送與接收，并由BBU根據(jù)整個網(wǎng)絡的流量負載決定合適的雙工方式。對于CCFD RRU而言，RRU的收發(fā)自干擾可以在模擬域上消除，因此我們可以將其看作為兩個RRU，一個用于上行接收，另一個用于下行發(fā)送。另一方面，對于發(fā)送RRU與接收RRU間的干擾，由于該鏈路的準靜態(tài)特性，鏈路間的信道矩陣可以以很低的開銷估計得到，且BBU的集中處理使得它可以提前獲得所有終端下行信號，從而可以在數(shù)字域上消除這種干擾。因此，在無蜂窩構(gòu)架條件下，可用多個半雙工RRU實現(xiàn)帶內(nèi)全雙工，這也是我們把這種雙工方式稱之為NAFD的原因。

圖3 基于無蜂窩構(gòu)架的網(wǎng)絡輔助全雙工示意圖

NAFD系統(tǒng)仍然存在上行用戶對下行用戶的干擾。消除該干擾的主要途徑包括以下兩種：1）當下行用戶能夠估計出干擾用戶的信道時，可通過干擾消除技術(shù)消除上行用戶的干擾；2）在BBU中采用聯(lián)合上下行用戶調(diào)度和分組配對或上行功率控制減輕這種干擾。

NAFD和現(xiàn)有的雙工技術(shù)相比，主要有以下不同和優(yōu)勢。首先，和傳統(tǒng)的時分雙工相比，NAFD能夠提供低時延的服務；和傳統(tǒng)的頻分雙工相比，NAFD能夠在不降低頻譜利用率的情況下支持非對稱業(yè)務。其次，與5G靈活雙工技術(shù)相比，對于基于無蜂窩架構(gòu)的NAFD，RRU可以為半雙工或者CCFD，通過聯(lián)合處理，可以降低靈活雙工、混合半雙工和CCFD網(wǎng)絡中的交叉鏈路干擾。另外，基于無蜂窩架構(gòu)的NAFD可以支持5G NR的靈活時分雙工：當所有的RRU都工作在半雙工模式，但是不同的RRU的時隙結(jié)構(gòu)不同，同一時刻，部分RRU發(fā)送、部分RRU接收，采用NAFD可降低這種場景引發(fā)的交叉鏈路干擾。理論上來說，NAFD和CCFD的性能對比就類似于分布式MIMO和集中式MIMO的對比，分布式MIMO可以獲得額外的功率增益以及宏分集[13]。由于RRU密度的增大，NAFD可以獲得比CCFD更好的性能。

NAFD是一種基于無蜂窩架構(gòu)的自由雙工方式。目前，其仍然面臨較多問題，主要包括：（1）實際的5G NR系統(tǒng)中，由于上行要求的提前接收，RRU之間的收和發(fā)在時間上并不是對齊的，如何解決這種異步引發(fā)的干擾問題，需要在標準化設計時考慮。（2）消除交叉鏈路干擾依賴于RRU之間的協(xié)作，采用集中式BBU方案時可以較好消除干擾，當采用分布式收發(fā)時，干擾消除能力需要進一步研究。（3）采用完全動態(tài)的RRU收發(fā)控制，需要從全局的角度去研究收發(fā)模式選擇[14]，以降低干擾，提高系統(tǒng)容量。

5 結(jié)束語

無蜂窩大規(guī)模MIMO是打破傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)大規(guī)模協(xié)作的有效途徑。它的基本理論繼承于多用戶分布式MIMO，已被廣泛證明有顯著的性能增益。隨著射頻器件的進步，采用空口校準，可支撐無蜂窩大規(guī)模MIMO協(xié)作傳輸，是深度挖掘sub-6GHz系統(tǒng)的頻譜效率、提升有可靠性的有效途徑。經(jīng)過近20年的研究和不斷的試驗驗證[4]，無蜂窩大規(guī)模MIMO將在6G系統(tǒng)發(fā)揮重要的作用。無蜂窩大規(guī)模MIMO的思想應用在毫米波系統(tǒng)中，將對超級上行有重要的支撐作用，是進一步深耕毫米波頻段的重要技術(shù)途徑。但需要看到，無蜂窩大規(guī)模MIMO應用于毫米波仍有較多的問題，需要進一步研究，并通過試驗驗證其可實現(xiàn)性。無蜂窩大規(guī)模MIMO是解決CCFD組網(wǎng)面臨的干擾問題的重要手段，但是如何解決更加自由靈活的雙工方式引入的干擾，還有很多的工作需要進一步深入研究。