【深度】大规模天线标准化进展：将在5G系统中发挥重大作用
今日荐文的作者为中国电信股份有限公司北京研究院网络技术与规划部专家高程，张光辉，朱雪田。本篇节选自论文《大规模天线标准化进展》，发表于《中国电子科学研究院学报》第13卷第1期。
摘 要：大规模天线是5G的关键技术之一，能够显著的提升系统覆盖和容量。为了推动大规模天线技术的发展，系统总结并分析了大规模天线的标准化进展，包括多天线方案、波束管理、信道状态信息获取以及参考信号设计，为进一步研究大规模天线提供参考。
关键词: 大规模天线；多天线方案；波束管理；信道状态信息获取；参考信号设计
1 引言
随着移动互联网和物联网的高速发展，新业务对未来移动通信网络提出了更高的要求：容纳更多的用户、更高的传输速率、更低的时延、更广的覆盖以及更优的通信质量等。这对下一代通信技术带来了前所未有的挑战。 为了提供更好的覆盖和更高的容量，大规模天线应运而生。大规模天线是传统MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术的延伸，具有几十到几百根天线。大规模天线通过高增益、自适应的波束赋形技术，集中能量打向被服务用户，可以提升信噪比，进而提升覆盖。同时，大规模天线大大增加了空间自由度，为一到多个用户提供更多的空间数据流，能够有效的提升系统容量。
R15（Release 15，版本15）阶段，3GPP（the 3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）正在针对大规模天线进行全面研究。其中，基本的大规模天线功能（阶段I）将在2017年12月完成，未完成的功能将在阶段II去实现。本文将对大规模天线标准化进展进行全面的总结与分析。
2 大规模天线与传统MIMO的区别
大规模天线与传统MIMO的区别如下：
大规模天线引入更加灵活的参考信号和报告设计，为了实现动态切换，和传输方式解耦，如下图1所示。
图1. 大规模天线与传统MIMO传输、测量、反馈的区别
大规模天线引入“波束”的概念，支持高频传输 （>6GHz）。高频传输路损严重，主要依靠大规模天线提供很大的波束赋形增益来对抗恶劣的传播环境。
大规模天线阵列架构与传统MIMO也有所不同。5G 时代，大规模天线可能在跨度巨大的多个频段上使用。宽带的大规模天线阵列如果仍采用基带架构不仅成本极高，而且宽频带系统需要高速的模拟/数字和数字/模拟转换器，其功耗巨大。这种情况下，全射频架构（MIMO和波束赋型都在射频完成）、混合架构（将MIMO和波束赋形的控制和操作在基带和射频之间分离）是更为合适的大规模天线阵列实现方式。
大规模天线支持更高精度的信道状态信息反馈，其主要是为了实现更高的吞吐量和更高的传输层数（例如：12层）。
大规模天线通过灵活的参考信号设计，支持前向兼容性。
NR（New Radio，新空口）支持自包含帧。URLLC（Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，高可靠低时延通信）要求1ms的时延，因此，设计了自包含帧，使用自包含帧能更快拿到信道状态信息，这也是增强信道状态信息获取的一种手段。同时，多用户MIMO配对情况在不同子帧变化比较快，如果信道状态信息获取时延较大的话，就不能满足调度需求，自包含帧能更好的支持多用户MIMO。
图2.自包含帧
3 大规模天线标准化进展
3.1 多天线方案
目前，大规模天线主要考虑两种方案[1]：
方案1: 闭环方案；
方案2: 基于分集的开环或者半开环方案。
方案1主要用在信道条件比较好、反馈准确度高的情况，例如，慢速的时候主要采用方案1。方案2则主要用在反馈准确度不高的场景（如高速场景），可以使通信系统更鲁棒。在方案2中，支持DMRS（Demodulation Reference Signal，解调参考信号）和数据使用相同预编码的透明方案，信道状态信息增强有待进一步讨论，比如预编码循环。
下行支持单用户8层传输，上行支持至少4层的单用户传输。多用户MIMO 支持12个DMRS端口。针对1到4层，使用一个码字，针对5-8层，使用2个码字。 大规模天线有多传输点传输和多面板传输，支持非相干联合传输，支持多个物理下行共享信道和物理下行控制信道。
物理资源块绑定主要应用于组内联合信道估计，增强信道估计的性能。物理资源块绑定支持可配置的物理资源组大小。这一点和LTE（Long Term Evolution，长期演进）不同。LTE有两种模式，一是配置绑定，并根据系统带宽配置绑定资源的大小；二是不做绑定。而NR系统中，系统带宽将显著增大，具有更多的应用场景（如：互易性场景，多用户MIMO场景，模拟波束等），不同的应用场景针对信道估计有不同的需求，此时，支持可配置的物理资源组大小有助于满足满足不同应用场景的需求。
在资源映射上，NR保留传统的映射方式，即采用层-> 频率->时间的顺序，更细化的一种方案是将层分成两份，然后分别按照传统映射方式映射。其他的方案仍需进一步研究，如层-> 时间->频率，这种映射方案可以获得时间分集增益，在高速场景中能取得较好的效果。
上行MIMO方案支持基于码本的方案、基于非码本的方案以及混合方案。其中，基于码本的方案基于DMRS进行；基于非码本的方案基于波束赋形的SRS（Sounding Reference Signal，信道探测参考信号）进行；混合方案首先利用波束赋形SRS获得粗略的方向性信息，在利用基于码本的方案，达到降维的目的。
由于NR具有大带宽的特点，频率选择性不能忽略。针对CP-OFDM（Cyclic Prefix-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，带循环前缀的正交频分复用），NR支持频率选择性预编码，具体细节仍需进一步讨论。
3.2 波束管理
波束管理主要包括波束扫描、波束选择、波束指示、波束报告、波束恢复等。
波束管理流程主要包含如下基本步骤：
步骤1: 传输点发送波束扫描+用户接受波束扫描；
步骤2: 仅传输点发送波束扫描；
步骤3: 仅用户接受波束扫描；
下图3展示了一种波束扫描的过程。基站按照下行扫描周期周期性地进行传输点发送波束扫描，扫描内容涉及同步信号、物理广播信道、波束参考信号等。上行扫描内容主要涉及随机接入资源，用户在上行扫描子帧周期性地进行上行扫描。
图3. 波束扫描过程示意图
波束管理基于CSI-RS（Channel-State Information reference signals，信道状态信息参考信号）进行，是否基于SS block（Synchronization signals block，同步信号块）需要进一步讨论。波束管理首先进行波束扫描，根据参考信号测量和反馈，波束反馈基于波束分组进行。同时波束信息需要指示给用户，以协助用户确定接收波束。
如下图4所示，当用户移动、信道状态变化或者信道阻塞，导致现有波束服务质量不足以满足用户需求时，此时需要进行波束恢复。波束恢复主要涉及波束恢复事件定义、检测波束失败、基于CSI-RS（是否基于SS block需要进一步研究）[2]识别到可提供服务的波束等。波束恢复请求可以基于物理随机接入信道或者物理上行控制信道传输[3]。
图4. 波束服务失败示意图
在高频段，天线可以做的更小，未来终端可以支持更多的天线，因此，上行波束管理研究具有重要意义。上行波束管理可基于多个SRS资源管理多个上行波束。同时，波束管理可以考虑信道互易性带来的上下行波束一致性。
3.3 信道状态信息获取
CSI-RS传输、信道状态信息反馈的过程如下图5所示。其中，信道状态信息报告、CSI-RS传输支持周期性的、非周期性的和半周期性的。其中半周期性方式规定在一定时间内完成一定次数的信道状态信息报告或CSI-RS传输。
图5. CSI-RS传输、CSI反馈的过程
在CSI-RS及信道状态信息反馈研究中，将CSI-RS资源分成M个资源集，N个报告集，他们之间通过测量集联系起来。参数包含在资源集和报告集中。其中，确定M和N的值需要考虑节点个数、用户处理复杂度、用户可以支持的报告数，周期/非周期等因素[4]。通过上述划分，不同资源集可用于测量不同天线，实现不同功能，如下图6所示。
图6. 不同CSI-RS资源集合用于测量不同天线示意图
然而，NR的干扰测量更加复杂，需要测量更多的干扰假设情况，也就需要更多的测量资源，开销很大。在现有的研究中，采用ZP（Zero Power，零功率）和NZP（Non Zero Power，非零功率）参考信号联合的干扰测量方案可以有效的降低开销[5]。
NR支持两种类型的信道状态信息反馈：类型I信道状态信息和类型II信道状态信息[6]。类型I信道状态信息是常规精度的码本反馈，类型II信道状态信息是线性合并码本反馈。后者用于支持更高精度的反馈，以实现更高的容量。波束赋形CSI-RS的码本可以是选择的端口或合并码本，并可根据天线配置灵活扩展。
NR信道状态信息反馈粒度有子带、部分带宽、宽带三种。与LTE相比，其增加了部分带宽选项[7]，因为NR具有大带宽的特点，部分带宽可以更好、更灵活的支持不同业务、不同终端的不同需求。
3.4 参考信号设计
NR的参考信号设计部分主要考虑DMRS、CSI-RS、SRS、PTRS（Phase-tracking Reference Signals，相位追踪参考信号）以及QCL。
NR的参考信号中增加了前载DMRS。前载DMRS的资源位置如下图7所示，不同密度的前载DMRS适用于有不同精度要求的场景。使用前载DMRS的好处是能够快速进行信道估计。前载DMRS支持IFDMA（Interleaved Frequency Division Multiple Access，交织频分多址）和FD-CDM（Frequency Division- Code Division Multiplexing，频分-码分复用）方式[8]。IFDMA类似SRS梳的方式。FD-CDM和码分复用类似，其为连续频域的两个资源粒子做码分复用。在高速场景下，支持发送额外的DMRS。同时，NR支持时域DMRS绑定。上行支持DFT扩展OFDM和CP-OFDM两种方式。针对CP-OFDM，支持对称的下行/上行设计。DFT扩展OFDM支持ZC（Zadoff-Chu，扎达尔· 舒）序列， CP-OFDM支持ZC序列和PN（Pseudo-noise Sequence，伪噪声序列）序列。
图7. 前载DMRS示意图
为了支撑大规模天线的应用，CSI-RS扩展到32端口。在一个时隙里X-端口 CSI-RS 资源可分布在N个OFDM符号上，但目前具体的CSI-RS样式还没结论。如果CSI-RS的位置比较灵活，前向兼容性会比较好。由于一个时域符号的资源粒子使用用相同的模拟波束赋形，NR支持一个OFDM符号里只配置CSI-RS。
SRS支持至少4个端口，梳度为2或4。NR支持周期性的、非周期性的和半静态的SRS。为了更快的获取信道信息，NR支持符号级别的SRS跳频。由于NR具有大带宽的特点，用户上行功率受限，因此用户不会使用全带宽进行传输。为了适应用户的需求以及给更多的用户提供服务，NR支持可配置的SRS带宽，支持仅在某些带宽上调度一个用户。
NR的一个显著特点是采用高频，在40GHz或60GHz以下可以不考虑相噪，但在更高频段，以及使用更高阶的调制时，相噪不能忽略。而正交幅度调制依靠相位区分星座点，因此NR需要考虑相噪对解调的影响。为此，NR提出一种新的参考信号-PTRS。 PTRS是否存在及其样式通过RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）配置，也通过DCI（Downlink Control Information，下行控制信息）指示。目前认为低频段，相噪的影响可以忽略，NR通过RRC配置指示不会发PTRS；在高频段，首先根据频率、晶振硬件好坏来衡量相噪的影响是否不容忽略，如果影响很大，NR通过RRC配置指示会发PTRS，然后DCI会进一步指示是否真的发PTRS。PTRS实质上也是一种DMRS，只不过在时域上密度大一点，对频率密度要求不高。这主要是为了适应相噪在时间上变化快的特点，时域上密度大可以很好的跟踪相噪的变化。PTRS的配置在频率上和带宽有关，时间上和调制阶数有关[9]。即，如果采用256QAM（Quadrature Amplitude Modulation，正交幅度调制），需要每个OFDM都发PTRS，如果是64QAM，可能隔一个或者2个OFDM发一次即可。一组DMRS和一个PTRS联系，因为他们共享一个晶振。PTRS端口/预编码与DMRS关联。
与LTE相比，QCL参数增加了空间接收参数，多普勒/时延参数，平均增益等。因为模拟波束赋形并没有数字域的逻辑波束概念[10]。同时，NR的QCL配置希望设计得更加灵活。
4 大规模天线阶段II研究计划
如下图8所示，在阶段II，大规模天线将利用21个月的时间完成如下研究内容：
增强的类型II信道状态信息；
增强的多传输点/多面板支持；
增强的高频支持；
增强的上下行信道互易性支持（包含上行和下行传输）；
其他增强。
图8. 阶段II大规模天线研究计划
结 语
大规模天线为实现5G更好的覆盖和系统容量提供重要的支撑作用，目前3GPP正持续对大规模天线进行研究。2017年底，3GPP将完成大规模天线基本功能的研究，2019年9月将完成大规模天线增强功能的研究。本文对大规模天线的多天线方案、波束管理、信道状态信息获取以及参考信号设计等内容进行了系统总结与分析，为后续大规模天线的研究提供重要的参考。随着各公司对大规模天线技术研究的深入，大规模天线技术将在 5G 系统中发挥重大作用。
参考文献略
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