5G大规模MIMO增强技术及发展趋势

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　　【摘  要】大规模MIMO技术是5G的关键技术之一，其原理是当基站天线数量远远大于终端天线数量的时候，基站到各个用户之间的干扰趋于消失，为更好地应用大规模MIMO技术提升系统容量和用户频谱效率，3GPP对相关技术进行了标准化。首先介绍了3GPP在Rel 15阶段对大规模波束赋形的传输方案和波束管理等关键技术的标准化情况，然后重点分析描述了Rel 16阶段大规模MIMO的增强技术，包括多点（TRP）/多面板（panel）发送以及多波束发送等关键技术，未来大规模MIMO的发展趋势将根据实际应用部署对相关的技术做进一步增强。
　　【关键词】 大规模天线阵列;多点/多面板发送;多波束发送
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.007      中图分类号：TN929.5
　　文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2020）04-0032-05
　　引用格式：焦慧颖，刘鹏. 5G大规模MIMO增强技术及发展趋势[J]. 移动通信， 2020，44（4）： 32-36.
　　The Enhanced Technology and Development Trend of Massive MIMO in 5G
　　JIAO Huiying1， LIU Peng2
　　（1.China Academy of Information and Communications Technology， Beijing 100191， China;
　　2.China Ship Research and Development Academy， Beijing 100101， China）
　　[Abstract]
　　Massive MIMO technology is one of the key technologies of 5G， and the principle is that the interference among multiple UEs tends to disappear when the antenna number of the base station is much larger than terminal. In order to better apply massive MIMO technology to improve system capacity and user spectral efficiency， 3GPP has standardized the related technologies. This paper first introduces the standardization of massive beamforming transmission solutions and beam management technologies in 3GPP Rel 15. Then the key enhanced massive MIMO technologies in 3GPP Rel 16 are emphatically described and analyzed including multiple TRP/panel and multiple beams. The development trend of massive MIMO would further enhance the relevant technologies according to the real deployment.
　　[Key words] massive antennas; multiple TRP/multiple panel transmission; multiple beam transmission
　　0   引言
　　第五代移動通信系统中的小区越来越密集，其对业务和容量的需求越来越高，在基站端采用超大规模天线阵列（比如数百个天线或更多）可以满足用户对高速发展的数据流量的需求。
　　3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大规模MIMO的特性，推动了基站在高低频段大规模天线技术的应用。由于引入了一些新的部署场景，如多面板阵列，高频段混合波束赋形等，因此5G NR相比于4G LTE引入了新的特性，包括支持多点/多面板操作，灵活的信道状态信息（CSI）获取和波束管理，支持32端口的低分辨率Type I码本和高分辨率的Type II码本以及灵活导频（尤其是CSI-RS、DM RS和SRS）的发送。
　　5G NR MIMO相比LTE MIMO有以下几方面的区别：
　　（1）高分辨率的Type II码本能够提供比LTE多30%的用户平均吞吐量的增益。
　　（2）灵活的CSI获取和导频设计可用于未来标准化版本的增强扩展。
　　（3）NR MIMO通过波束管理可工作在大于6 GHz的高频段。
　　总体来说，3GPP Rel 15 NR MIMO特性提供了充足的基础，以便在Rel 16 NR阶段做进一步的增强，3GPP Rel 16的标准化内容包括以下几个方面[1]：
　　（1）支持多用户MIMO的增强。基于Type II CSI反馈定义降低开销的方法，定义rank大于2的Type II CSI反馈的扩展。
　　（2）增强多TRP/多面板传输，包括增强理想和非理想回传的可靠性和鲁棒性。定义下行控制信令增强用于有效支持非相干联合传输，研究必要的上行控制信令和参考信号的增强用于非相干联合传输以及低时延高可靠（URLLC）需求的多TRP技术。 　　（3）多波束增强，主要目标是高频段的增强。研究定义对Rel 15的上下行发送波束选择增强来降低时延和开销，定义DL/UL和DL only的辅小区的波束失败恢复以及定义L1-RSRQ或者L1-SINR的测量和上报。
　　（4）研究降低PAPR的CSI-RS和DM RS的增强。
　　大规模天线阵列的站点之间协作传输或者一个站点下的大规模天线阵列的多面板协作传输，称为多点/多面板发送，Rel 16标准化的多点发送支持两个点的协作发送，而多波束增强，主要定义了辅小区的波束失败恢复以及测量和上报的相关内容。本文着重介绍了3GPP Rel 16的多点/多面板发送和多波束发送的技术和标准化，并且分析了大规模MIMO未来的标准化发展方向。
　　1   多点/多面板发送
　　多点/多面板发送可分成独立下行控制信令调度多点/多面板的数据，以及联合下行控制信令调度多点/多面板的数据。当多点发送之间是非理想回传的时候，多个发送点分别发送下行控制信令调度下行数据，当多点发送之间是理想回传的时候，可以用一个联合下行控制信令调度多点的数据。其中独立下行控制信令调度多点/多面板的数据，标准中根据终端能力，将每个“PDCCH-config”配置下的控制资源集合（CORESETs）的最大数目扩展到5，每个CORESET对应一个新引入的高层信令CORESETPoolIndex，上行PUCCH的HARQ-ACK反馈可以是分开反馈和联合反馈。联合下行控制信令调度多点/多面板的数据，标准定义了DM RS的设置，以及多点联合发送的低时延高可靠发送。
　　1.1  多个下行控制信道调度多点/多面板发送
　　图1给出了两个发送点分别有下行控制信道调度相应的下行数据的示意图，RRC信令配置dataScram-blingIdentityPDSCH标识对不同的PDSCH进行不同的序列加扰，该标识和每个CORESET的高层信令CORESETPoolIndex关联。
　　（1）对接收的PDSCHs分别进行HARQ-ACK反馈
　　对于接收的PDSCHs分别进行HARQ-ACK反馈的时候，一个时隙内PUCCH采用时分复用的方式来反馈两个发送点数据对应的HARQ-ACK反馈，UE通过不同的高层信令系数来识别不同发送点所生成的HARQ-ACK，同时支持Type I HARQ-ACK 码本和Type II HARQ-ACK码本。
　　（2）对接收的PDSCHs进行联合HARQ-ACK反馈
　　对于接收的PDSCHs在一个时隙内联合反馈HARQ-ACK的情况，如图2所示[3]，因为终端会在一个下行控制信道发送时刻接收用于多个发送点的PDCCHs，用于对应PUCCH资源映射的最后一个下行控制信令（DCI）的确定方法，首先是在相同PDCCH监听时刻和相同服务小区情况下，对应不同CORESET的高层系数进行升序排列，然后在相同PDCCHs监听时刻，服务小区进行升序排列，最后PDCCH监听时刻升序排列，也就是时隙数值最大，服务小区系数最大的最高CORESET Index对应的DCI。
　　多点发送的联合HARQ-ACK反馈，计数DAI（Counter DAI）是跨两个发送点（也就是不同数值的CORESETPoolIndex）来联合计数的[4]，并且总体DAI（Total DAI）应该是在一个PDCCH监听时刻跨服务小区和跨发送点总体计数的。如图3所示，这种方法避免了由于下行控制信令错误检测带来的HARQ-ACK码本大小的模糊问题，举例来说，如图3中所示，如果没有检测到DCI#3，因为DAI是跨多个TRP联合计数的，终端可以基于DCI#2'中的Counter DCI来识别该DCI没有检测到。而且由于联合HARQ-ACK反馈用于理想回传的情况，多个TRP可以联合协作，因此联合计数DAI是可行的。
　　（3）多点/多面板发送的PDSCH和HARQ反馈
　　如图4所示，3GPP Rel 15中单个发送点调度PDSCH和HARQ反馈有限制[3]，对于任何HARQ进程IDs，终端不会接收和另一个PDSCH发送时间重叠的PDSCH。但是引入Rel 16多点/面板支持部分重叠甚至是全部重叠的PDSCHs，这个限制就要进行更新。
　　3GPP Rel 16标准规定，当多个下行控制信令调度两个发送点上行/下行数据时候，也就是CORSET和不同CORESETPoolIndex的数值关联的时候，允许以下操作：
　　1）PDCCH调度PDSCH/PUSCH。对于任何一个被调度小区的两个HARQ进程IDs，如果UE被调度开始接收第一个PDSCH起始于符号j，结束于符号i，终端可以通过和比符号i晚的不同CORESETPoolIndex相关的PDCCH调度接收比第一个PDSCH/PUSCH结束的早的PDSCH。
　　2）PDSCH的HARQ-ACK反馈。在给定调度的小区中，终端在时隙i接收第一个PDSCH，相应的HARQ-ACK分配在时隙j进行发送，来自不同CORESETPoolIndex相关的比第一PDSCH起始发送晚的第二PDSCH，其相应的HARQ-ACK可以在时隙j之前进行HARQ-ACK分配。
　　多DCI调度的多点传输，如果配置了CORESET-PoolIndex，接收的PDCCH和相应的PDSCH的时间偏置小于门限值，终端假设PDSCH的DM RS端口和相同CORESETPoolIndex配置的最低CORESET Index的PDCCH的RSs是QCL的。
　　1.2  單个下行控制信道调度多点发送
　　如图5所示，当多个发送点是理想回传，以及多面板发送的时候，可以用单个下行控制信道同时调度多个点的数据。
　　（1）DM RS端口指示 　　支持单个下行控制信道调度多个小区数据的DM RS端口指示，天线端口信令指示范围大小和Rel 15相同，通过天线端口指示至少支持来自两个发送点以下的layer组合{1+1， 1+2， 2+1， 2+2}。当下行控制信令的一个TCI code point指示了2个TCI状态的时候，如果指示的DM RS端口来自两个CDM组，第一个TCI状态应用于第一个指示的CDM组，第二个TCI状态应用于第二个指示的CDM组。
　　（2）基于多TRP的URLLC业务传输机制
　　随着大规模天线技术的引入，基站大规模天线的多个面板可以同时传输，同时多个基站也可以同时发送，称为多TRP/多面板传输技术。利用多TRP/多面板使用多个波束发送相同数据可以提升可靠性，用于低时延高可靠性业务的调度。其中多面板低时延高可靠调度的主要可行机制包括空分复用（SDM）、频分复用（FDM）和时分复用（TDM）机制。其中空分复用机制（SDM）的方法指的是一个时隙内的时间和频率资源是重叠的，每组DM RS端口和多面板的一个波束关联，不同的编码比特映射到不同的数据流上。频分复用的机制有两种，一种是来自多个发送点的相同冗余版本（RV）的不同的编码比特映射到不同组的RBs上，类似于多个发送点之间的频率切换发送分集，但是分集增益受限;第二种方式是来自多个发送点的不同RV在不同编码比特映射到不同组RBs上发送，获得更高的可靠性，频率复用相比空分复用，由于没有多个发送点间的干扰，会有相对较好的性能。时分复用机制包括时隙内的时分重复和时隙间的时分重复两种机制，多个发送点的不同编码比特对应不同的时间资源分配，所有的发送时刻均使用统一的MCS，RV/TCI state在发送时刻是相同或者是不同的。时分复用方式是时间域和空间域重复的组合，可以用在可靠性和资源利用率需求更高的场景。对于时隙内的时分复用，基站用下行控制信道指示第一个发送时刻的位置，第二个发送时刻是第一个发送时刻的K个发送符号的偏置，并且长度和第一个发送时刻相同，并且时隙内时分复用中具体发送时刻的数量取决于下行控制信道中波束状态的指示数量。
　　1.3  不同传输机制的信令指示方法
　　为指示不同的传输机制，尽量重用已有的信令设计以节省开销。首先利用已有下行控制信令中的TCI states指示可以实现多个发送点和单个发送点的动态切换，另外，由于空分复用（SDM）是多个数据流复用，因此已有下行控制信令的参数CDM组参数为2，以此来确定是空分复用传输机制，利用已有的URLLC指示中的重复数量参数URLLCRepNum来确定TDM4，其余的传输机制的确定是通过3GPP Rel 16新定义的半静态信令来指示区分两种频分复用机制和时分复用机制。
　　2    多波束增强
　　支持RRC信令配置最多64个候选波束用于波束失败恢复，新波束指示和L1 RSRP测量是UE能力信令的一部分。
　　新波束识别的下行导频基于SSB和CSI-RS用于波束管理，新波束识别的下行导频在激活BWP上发送，新波束识别的门限基于L1-RSRP。
　　支持基站配置终端上报最多N个SSBRI/CRI以及每个波束上报时刻对应的L1-SINR，N是RRC信令可配置的。
　　在波束失败恢复请求流程期间，终端为每个辅小区只上报一个波束系数。辅小区的波束失败恢复请求流程中，步骤1是类似于调度请求（SR）的上行控制信道（PUCCH）资源用于上报波束失败，步骤2用MAC CE上报候选波束以及对应的L1-SINR。如果辅小区波束失败，并且没有L1-RSRP高于辅小区波束失败恢复门限的新波束，终端上报没有识别出辅小区的新波束。
　　3   大规模MIMO的发展方向
　　3GPP Rel 16 NR对Rel 15进行了增强，包括引入基于DFT压缩的增强Type II码本，支持eMBB下行数据的多点发送，增强多波束操作包括降低不同重配置下的开销和时延降低，辅小区波束失败恢复和L1-SINR，另外低PAPR参考信号和特性可以实现上行全功率发送。
　　关于未来大规模天线的发展方向，因为5G NR正值商业化进程，根据实际的部署场景要对不同的方面实现进一步增强，这些方面包括以下部分[2]：第一，考虑到高速车辆的场景（例如UE在高速功率上移动），进一步降低时延和开销，以及降低波束失败事件的发生概率;第二，Rel 16虽然研究了多个面板的上行波束选择的增强，提供了一些潜在用于提升上行覆盖的方案，但没有足够的时间来完成标准化工作;第三，除了下行数据信道有多个发送点的好处以外，还可以包含上行密集部署在宏小区或者异构网络部署场景中小区间的多点发送;第四，进一步增强上行导频SRS提升容量和覆盖;第五，在Rel 16增强的Type II CSI的基础上，进一步增强低频FDD部署下的多发送点/多面板的CSI设计以及更好地使用信道统计的角度和时延的部分互易性用于联合传输。
　　4    结束语
　　大规模天线技术是5G的关键技术之一，3GPP Rel 15 5G NR包含了一部分大规模MIMO的特性，推动了基站在高低频段大规模天线技术的应用。Rel 16在此基础上做了增强，主要的关键技术有多点/多面板发送以及多波束的增强技术，多点/多面板发送的数据可以由多个下行控制信道分别调度，或者单个下行控制信道联合调度，多波束增强技术标准化的主要内容为辅小区的波束失败恢复流程以及波束上报增强。未来3GPP Rel 17将针对实际的部署场景对大规模天线技术作进一步的增强，包括高速移动场景的优化，多个面板的波束选择，上行密集部署场景下的多点发送和上行覆盖增强以及FDD系统的部分信道互易性的标准化内容。
　　参考文献：
　　[1]    Samsung. RP-192271 Revised WID： Enhancements on MIMO for NR RAN#85[Z]. 2019.
　　[2]     Samsung. RP-193133 New WID： Further enhancements on MIMO for NR RAN#86[Z]. 2019.
　　[3]      Huawei， HiSilicon. R1-1911902 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.
　　[4]    NTT DOCOMO. R1-1912893 Enhancements on multi-TRP/panel transmission RAN1#99[Z]. 2019.
　　[5]   3GPP. 3GPP TS 38.213 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for control[S]. 2019.
　　[6]    3GPP. 3GPP TS 38.214 V15.8.0 NR： Physical layer procedures for data[S]. 2019.★
　　作者簡介
　　焦慧颖（orcid.org/0000-0001-5054-9294）：正高级工程师，博士，现任职于中国信息通信研究院，长期从事3GPP物理层关键技术研究和标准化工作。
　　刘鹏：研究员，博士，现任职于中国舰船研究院，长期从事系统设计工作。
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