基于3D-MIMO技術(shù)的關(guān)鍵原理及應(yīng)用介紹

5G通信系統(tǒng)中一個關(guān)鍵技術(shù)就是大規(guī)模陣列天線技術(shù)，俗稱3D-MIMO天線技術(shù)。在4G實際網(wǎng)絡(luò)運行環(huán)境中，3D-MIMO天線就已經(jīng)進行了規(guī)模部署，可以實現(xiàn)覆蓋增強，同時有效地緩解容量所帶來的壓力。為了更好地了解3D-MIMO技術(shù)關(guān)鍵原理以及應(yīng)用實踐，有必要從基本的MIMO技術(shù)原理入手，抽絲剝繭進行解讀。

SU-MIMO技術(shù)（單用戶MIMO技術(shù)）

單用戶MIMO技術(shù)通過空分復(fù)用實現(xiàn)了單用戶在相同時頻資源內(nèi)的吞吐量提升。MIMO技術(shù)廣義包含兩個范疇，其一是傳輸分集，其二是空分復(fù)用，從信息論的角度來看，發(fā)射分集的數(shù)據(jù)屬于同一“份”數(shù)據(jù)源，而空分復(fù)用則是利用了“空間”這個資源實現(xiàn)了兩“份”不同數(shù)據(jù)源的同時傳輸。

LTE系統(tǒng)的MIMO技術(shù)通過基帶預(yù)編碼實現(xiàn)了以上兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。LTE中通過SFTD（空頻傳輸分集）+FSTD（頻率交換發(fā)射分集）技術(shù)實現(xiàn)了開環(huán)傳輸分集，而空分復(fù)用又包含了三種工作方式，分別是大延遲CDD空分復(fù)用、閉環(huán)空分復(fù)用和單層閉環(huán)空分復(fù)用。

要了解以上具體的實現(xiàn)方案，首先需要對于一些基本的術(shù)語概念進行澄清。

碼字（Codeword），碼字是一個子幀中在物理信道傳輸?shù)囊幌盗行诺谰幋a比特，一個碼字對應(yīng)了一個傳輸塊（Transport Block, TB），是傳輸塊經(jīng)過信道編碼之后的產(chǎn)物，一個調(diào)度子幀（TTI）中最多傳輸兩個碼字，也意味著同時最多能傳輸兩個TB。

層（Layer），碼字經(jīng)過調(diào)制之后的一系列復(fù)數(shù)符號需要映射為層，國內(nèi)一些文獻(xiàn)容易翻譯成“流”，為了術(shù)語的嚴(yán)謹(jǐn)和一致性，我們還是愿意稱之為“層”。一個碼字調(diào)制之后的一系列復(fù)數(shù)符號可以映射為1層，也可以映射為多層。不同工作模式下，碼字與層有不同的映射關(guān)系，可以認(rèn)為層是碼字的一種進一步分割，也是為了預(yù)編碼處理的一種中間過程。LTE系統(tǒng)中，對于單天線端口，只存在單層與其映射，同時意味著只存在單碼字傳輸。而對于傳輸分集的模式，存在兩種層映射的工作方式，分別是2層和4層，與之對應(yīng)的也只有單碼字的工作方式。對于空分復(fù)用的工作方式，在層映射中需要遵從的一個原則就是層的數(shù)量應(yīng)該小于等于天線端口數(shù)。對于單碼字映射多層這種情況，僅僅在CRS天線端口為4或者UE專屬RS的天線端口為2或者更多的條件下會出現(xiàn)。無論是空分復(fù)用還是傳輸分集工作方式，通過碼字到層的映射之后，每層所包含的符號數(shù)是一致的?？辗謴?fù)用工作模式中，單碼字可分別映射為1、2、3、4層，雙碼字可分別映射為2、3、4、5、6、7、8層。5G NR系統(tǒng)中取消了傳輸分集模式，取而代之是基于空分復(fù)用模式的碼字與層映射關(guān)系，單碼字可以分別映射為1、2、3、4層，而雙碼字則分別可映射為5、6、7、8層。

預(yù)編碼（Precoding），預(yù)編碼技術(shù)是將已分割好的各層所包含的信息進行編碼映射到天線端口進行傳輸?shù)倪^程，不論對于單天線端口工作方式，還是多天線端口所涉及的傳輸分集或者空分復(fù)用都是必要的過程。對于單天線端口，映射原則比較簡單，單層所包含的符號與單天線邏輯端口符號一一對應(yīng)，這種情況現(xiàn)網(wǎng)中一般室分場景會出現(xiàn)，室分配置單端口，不存在傳輸分集或者空分復(fù)用的工作方式。

空分復(fù)用工作方式下碼字到層的信息映射流程是進行空分復(fù)用預(yù)編碼的唯一前提，承襲這一流程，空分復(fù)用預(yù)編碼實現(xiàn)了層到天線端口的信息映射。目前LTE協(xié)議中支持空分復(fù)用天線端口數(shù)為2或者4，基于小區(qū)公共參考信號的空分復(fù)用預(yù)編碼技術(shù)有三種實現(xiàn)方式，分別是無循環(huán)延遲分集（Cyclic delay diversity, CDD）的預(yù)編碼方案（Precoding without CDD）、大延遲CDD預(yù)編碼方案（Precoding for large delay CDD）和基于信道狀態(tài)反饋（CSI）的碼本選擇（閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用）。

Precoding without CDD的空分復(fù)用預(yù)編碼方案符合如下定義：該天線預(yù)編碼矩陣從eNodeB和UE預(yù)先各自配置的碼本（Codebook）中進行選擇（注：碼本是可供選擇的預(yù)編碼矩陣的集合）。預(yù)編碼矩陣不僅實現(xiàn)了層到天線端口信息的映射和轉(zhuǎn)換，同時還為每一天線端口均等的分配發(fā)射功率，該預(yù)編碼方案并沒有進行循環(huán)延遲處理，這樣的設(shè)計盡管在模擬實現(xiàn)空分中各個支路的相關(guān)性較強，但解碼處理比較簡單，結(jié)合閉環(huán)PMI進行碼本反饋的方式仍然可以得到較好空分效果，在LTE協(xié)議中下行傳輸模式TM4使用這種預(yù)編碼方式，一般用在上下行頻率互異的FDD系統(tǒng)中。

Precoding for large delay CDD的空分復(fù)用預(yù)編碼方案相比沒有CDD的預(yù)編碼方案通過引入相位偏轉(zhuǎn)的方式實現(xiàn)了循環(huán)延遲分集。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，這樣保證空間不同路（注：這里的“路”定義為空口中通過不同天線端口傳輸?shù)男盘枺荒芘c層的概念混淆）的信號經(jīng)歷的信道環(huán)境變化足夠大，人為地制造出了信道之間的不相關(guān)性，確保MIMO的接收性能。無循環(huán)延遲和大循環(huán)延遲兩種預(yù)編碼方式都可以通過碼本索引和傳輸層數(shù)共同確認(rèn)。

傳輸分集預(yù)編碼只針對單碼字傳輸進行處理，并且層個數(shù)應(yīng)該與天線端口數(shù)保持一致，根據(jù)3GPP規(guī)范目前定義，基于小區(qū)公共參考信號傳輸分集如同空分復(fù)用工作方式一樣，只支持2天線端口和4天線端口的配置方式。傳輸分集并沒有在同樣的時頻資源上實現(xiàn)不同信息的復(fù)用傳輸，而使通過復(fù)用不同的時頻資源實現(xiàn)相同信息的傳輸從而提升了信息接收的可靠性。值得一提的是，對于單層的空分復(fù)用更像一種多徑設(shè)置，嚴(yán)格意義來講并不屬于傳輸分集范疇，在實際應(yīng)用中更多作為MU-MIIMO配對使用。

MU-MIMO技術(shù)（多用戶MIMO）

多用戶MIMO顧名思義是將單用戶MIMO技術(shù)擴展配對為多用戶接入，即占用相同時頻資源的多個并行的數(shù)據(jù)發(fā)給不同用戶（下行）或不同用戶采用相同時頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)給基站（上行）。從基站側(cè)來看，這本質(zhì)上與傳統(tǒng)的SU-MIMO在工作方式維度來看沒有太大的區(qū)別，最重要的特點是如何將這些分布在不同空間范圍內(nèi)的不同用戶有機地“配對”，根據(jù)香農(nóng)公式對于MIMO技術(shù)的容量定義，取決于總體傳輸效率的兩個關(guān)鍵因素是信道的信噪比以及信道的相關(guān)程度，所謂“配對”需要做的工作是將具有合適信噪比和信道條件的用戶合理地組合，基站側(cè)需要通過UE上報CSI（CQI/PMI）以獲取用戶的信道條件。對于終端而言，需要獲知自身是否已被配對為MU-MIMO的進行數(shù)據(jù)傳輸，由于用戶之間并不知道彼此的信道條件，因此需要基站明確通知UE以確定的碼本進行解碼。LTE系統(tǒng)中定義的下行TM5傳輸模式即為MU-MIMO，這也是一種閉環(huán)空分復(fù)用的工作方式。協(xié)議中規(guī)定UE假定基站是以單層進行傳輸?shù)?，即RI=1，因此一般設(shè)備實現(xiàn)中對于單用戶也是分配了單層映射，當(dāng)然也只能是單碼字傳輸。所以對于MU-MIMO模式下最多能夠配對的用戶取決于基站側(cè)配置天線端口數(shù)（假設(shè)終端都支持MU-MIMO），配置為2端口傳輸?shù)幕咀疃嗄軌蛟谕瑯拥臅r頻資源上配對復(fù)用2個用戶，而配置為4端口傳輸?shù)幕咀疃嗄軌蛟谕瑯拥臅r頻資源上配對復(fù)用4個用戶。UE通過解碼PDCCH DCI格式1D能夠獲取TM5傳輸模式下碼本信息，對于正在“配對”中的用戶，碼本理論上是不同的，否則無法保持不同用戶傳輸信息的預(yù)編碼正交性。

3D-MIMO天線技術(shù)（Massive-MIMO）

3D-MIMO的官方名稱叫作Massive-MIMO，其實就是一種高增益的陣列天線。相比傳統(tǒng)的8T8R天線，不僅實現(xiàn)了水平面的賦型，同時也利用更多的振子和通道實現(xiàn)了垂直面的賦型。天線賦型技術(shù)是通過不同通道電調(diào)陣子相位實現(xiàn)對于某一方向窄波束的匯聚從而實現(xiàn)輻射能量的增益，對于8T8R而言，在垂直方向上所有振子歸屬一個通道，因此無法實現(xiàn)垂直維度的賦型，而3D-MIMO天線通過垂直維度的通道隔離實現(xiàn)不同通道內(nèi)所含振子的獨立電調(diào)從而完成了垂直維度的賦型。對于LTE廣播信道而言，3D-MIMO不進行類似PDSCH的賦型，而是通過32個雙極化通道（64通道）中每個極化通道的權(quán)值進行波束優(yōu)化調(diào)整。

LTE中除了TM5的MU-MIMO工作方式，TM7/8/9/10也可以提供MU-MIMO的傳輸方式。與TM5通過明確預(yù)編碼矩陣實現(xiàn)空分復(fù)用的機制有所不同，TM7/8/9/10通過天線通道的權(quán)值賦型技術(shù)并結(jié)合空間信道的特征匹配實現(xiàn)了多用戶空分復(fù)用。TM7/8/9/10傳輸模式下對于MU-MIMO的實現(xiàn)與信道條件準(zhǔn)確評估密切相關(guān)。

傳統(tǒng)8T8R天線下TM7單端口傳輸方式是典型的單用戶賦型技術(shù)。在TD-LTE?3D-MIMO系統(tǒng)中，基站根據(jù)不同用戶上報的SRS評估信道，并結(jié)合大規(guī)模陣列天線多通道進行編碼賦權(quán)，在基站側(cè)實現(xiàn)了多用戶空分復(fù)用傳輸配對。從終端角度觀察，解碼出來的依然是以單天線端口進行傳輸?shù)腡M7模式，而且對于其他配對終端無感知；從空間信道角度觀察，基站好像向空間特定位置多個用戶分別發(fā)出了多個定向窄波束，彼此之前無干擾，實現(xiàn)了完全物理維度“硬”空分，但其本質(zhì)與TM5的預(yù)編碼實現(xiàn)多用戶空分一樣，都是基于預(yù)編碼矩陣計算實現(xiàn)，只不過TM5的預(yù)編碼碼本矩陣基站和終端進行了預(yù)先約定，而TM7的預(yù)編碼完全實現(xiàn)在基站一側(cè)，對于終端而言是透明的。

UE在TM8傳輸模式下通過解碼PDCCH DCI格式2B可以獲取是否是單碼字傳輸還是雙碼字傳輸。在LTE 3D-MIMO大規(guī)模陣列天線應(yīng)用之前，傳統(tǒng)的8T8R天線通過極化方式實現(xiàn)單用戶TM8 模式的“雙層傳輸”，該方案本質(zhì)上屬于開環(huán)空分復(fù)用，但由于空間傳輸信道中極化正交性無法完全保障，因此這種實現(xiàn)方式在實際應(yīng)用中效果并不理想。在大規(guī)模3D-MIMO天線部署之后，TM8傳輸模式可通過賦型預(yù)編碼技術(shù)實現(xiàn)。在某些無線設(shè)備廠商實現(xiàn)中，TM8模式下的“雙層傳輸”不僅可以支持SU-MIMO空分復(fù)用，也可以支持MU-MIMO配對空分復(fù)用。

TM9傳輸模式是TM8傳輸模式的擴展。TM9同樣支持單用戶以單碼字或者雙碼字進行傳輸?shù)目辗謴?fù)用。當(dāng)PDSCH以單碼字單層傳輸時，特定情況下可以降階等價于TM8單端口，最大可實現(xiàn)4層SU-MIMO空分復(fù)用。當(dāng)PDSCH以雙碼字傳輸時，最大可實現(xiàn)8層SU-MIMO空分復(fù)用。

TM10傳輸模式可支持多基站聯(lián)合CoMP技術(shù)，基站可以利用上報RSRP測量值以及CSI報告激活CoMP傳輸。TM10同樣可以支持最大單用戶8層傳輸，除此之外還增加了新碼本集合，并且支持CSI-RS參考信號以beamform的形式進行發(fā)射，另外CSI-RS配置可以通過周期、非周期（半靜態(tài)）的方式進行配置，CSI上報可以通過周期、半持續(xù)或周期方式實現(xiàn)。TM10和TM9可以配置多個CSI-RS資源，UE可通過CRI（CSI-RS resource indication）明確所上報的CQI是基于具體哪個CSI-RS資源配置進行測量上報。

LTE中3D-MIMO大規(guī)模陣列天線提升容量有兩方面維度，一方面是通過提升某一方向的陣列增益提升PDSCH的覆蓋效果提升用戶吞吐率或者激發(fā)更多的業(yè)務(wù)需求，但是LTE廣播信道并不具備賦型條件，因此討論3D-MIMO是否能夠通過提升覆蓋來提升系統(tǒng)容量是需要建立在廣播信道不受限的前提下。另一方面，3D-MIMO能夠通過單用戶SU-MIMO多層傳輸或者通過MU-MIMO用戶配對來實現(xiàn)系統(tǒng)吞吐率的提升。

3D-MIMO是一次產(chǎn)業(yè)先行，推進3GPP標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的良好實踐。隨著3D-MIMO技術(shù)的日臻完善，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也會不斷成熟，從這一點來看，LTE標(biāo)準(zhǔn)的未來演進方向與5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是趨同的。