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新无线接入技术NR-MIMO赋形研究

Massive MIMO是NR的一项关键技术,和LTE MIMO相比,NR的天线数量大大增加。多天线通过波束赋形技术可以达到多用户空分,提升频谱利用率;提升能量利用率,满足覆盖需求(特别是高频)。

作者:陈嘉明|2021-02-23 19:07

Labs 导读

5G-NR作为新的无线接入技术,以满足广泛的需求,包括增强的移动带宽、大规模机器式通信、超可靠和低时延通信等。新的无线接入技术能支持高达100GHz的宽频率范围。但对于6GHz以上的高频通信,存在着明显的路径损耗和穿透损耗。解决这一问题的其中一个解决方案是部署大型天线阵列以获得高波束赋形增益。因此,研究包括模拟/数字/混合波束形成在内的各种波束赋形的增强型大规模MIMO在内的新型无线电接口的多天线方案是十分必要的。

Massive MIMO是NR的一项关键技术,和LTE MIMO相比,NR的天线数量大大增加。多天线通过波束赋形技术可以达到多用户空分,提升频谱利用率;提升能量利用率,满足覆盖需求(特别是高频)。

LTE引入波束,能提升小区容量和频谱利用率。而对于NR,整个空口无线设计基于波束,所有上下行信道的发送接收都是基于波束的。

1、NR-MIMO规范设计

1.1 NR-MIMO的主要特点

Massive MIMO是传统MIMO技术的扩展和延伸,其特征(集中式Massive MIMO)在于以大规模天线阵的方式集中放置数十根甚至数百根以上天线。该技术可以直接通过增加天线数增加系统容量。

基站天线数量远大于其能够同时服务的终端天线数,形成了Massive MIMO无线通信系统,以达到更充分利用空间维度、提供更高的数据速率、大幅度提升频谱效率的目的。

此外,随着基站天线数的增加,Massive MIMO可以通过终端移动的随机性以及信道衰落的不相关性,利用不同用户间信道的近似正交性降低用户间干扰,实现多用户空分复用。

Massive MIMO的主要特点总结如下三点:

  • 使毫米波频谱上的蜂窝通信成为现实由于mmWave的引入,国际电信联盟要求5G支持20Gbps的峰值速率。
  • 大大提高LTE以外的系统性能ITU组织的5G要求达到LTE频谱效率的3倍。
  • 为5G实现提供足够的灵活性mmWave的引入,充分考虑了部署场景、网络实现、需支持的频谱带(特别是高频段)等。

1.2 频率与路损的关系

5G-NR新接入技术可进一步挖掘高频段的使用,首先,路径损耗与频率变化的平方成正比,高频段在较短距离内就会产生较大的损耗,但传播方向性强且衰减大,使得其抗干扰性较好、安全性高。其次,高频段波长较小,元器件尺寸小,高频段可用的频谱带宽大。如图1所示,以2.8GHz与28GHz为例,各向同性的TX发射源在球面上的RX接收面积2.8GHz远大于28GHz的,但28GHz的TX发射源可通过阵列模式,形成与2.8GHz相同的RX接收面积。

图1 28GHz & 2.8GHz的定向与阵列覆盖示意图

以R=1m为例,2.8GHz的接收孔径大小为9.135cm2,相对路径损耗为-41.4dB,28GHz的接收孔径大小为0.091cm2,相对路径损耗为-61.4dB。-20dB为100倍的关系,与频率的平方比相等,如表1所示。

表1 28GHz & 2.8GHz的接收孔径及路损对比

对此,利用多天线可以克服较高频率的路径损耗,多个接收天线可有效增加孔径大小,而多个发射天线可增加直接的能量传输。并且NR便于在无线接入的各个阶段使用多天线技术,比如初始接入、随机接入、寻呼、数据/控制信息、移动性管理等。

1.2 频率与路损的关系

LTE的设计是基于每个单元固定模拟波束进行的,模拟波束在任意给定时间内提供整个单元的全覆盖。而NR是根据每个单元多个可操纵模拟波束的概念设计的,每个模拟波束在给定时间内集中在单元中的一部分,以克服较大的路径损耗。

数字波束赋形可以并行处理多路(比如100路)信号,可以并行获得很多路不同的输出信号,可以同时测量来自不同方向的信号。而数字波束赋形的幅度和相位权值作用于基带信号,即发射端工作于进入DAC(数模转换)之前,接受端工作于ADC(模数转换)之后。因此,要求天线阵列数与射频链一一对应,即每条RF链路都需要一套独立的DAC/ADC、混频器、滤波器和功放器。由于LTE载波频率相对较低,天线单元数量较少,使用数字波束赋形能够充分发挥其优势,但在NR的大规模阵列上使用则存在天线工艺复杂、功耗大等问题。

表2 模拟波束赋形与数字波束赋形的对比

而数字和模拟波束赋形的结合,或者说混合波束赋形,可以在不过度增加实现复杂度的情况下实现较大的赋形增益,如图2所示。对于实际的大型天线系统,需要考虑成本与性能之间的平衡。混合波束赋形具有多个射频链,每个射频链与天线阵列相连,可以节省射频链的数量,同时支持MIMO传输。在LTE中,混合波束赋形被考虑为固定模拟波束赋形。而在低于6GHz的NR中,由于信道往往具有更多的多径,数字基带预编码仍然可以被认为是波束赋形的主要形式。对于6GHz以上的NR,模拟波束赋形的移相器可设计为是自适应变化的,以帮助控制窄波束获得更好的波束赋形增益。

图2 混合波束赋形原理图

在较低的频率下,单波束可用于提供较宽的覆盖范围。在较高的频率下,可以使用多个波束来扩大覆盖范围。如图3所示。

对于不同的频段和不同的场景,每个TRP(Transmission and Reception Point,发射接收点)可以考虑不同数量的波束。在高频通信中,由于需要获得较高的波束赋形增益,通常会考虑较窄的波束,因此会考虑更多的波束。对于不依赖波束赋形来实现覆盖的系统,可以考虑采用单波束方案。在NR系统中,特别是考虑高频时,为满足NR的性能需求,TRP考虑支持到256TX。在NR仿真假设的相关讨论中,70GHz TRP的收发天线数甚至可以达到1024个。

图3 单波束与多波束的对比

2、NR-MIMO规格特点

3GPP的Rel-15版本,NR包括很多MIMO功能,这些功能有助于在基站使用大量天线元件,用于低于6GHz和高于6GHz的频段。其中一些功能主要基于Rel-14的LTE,而其他功能则是由于一些新确定的部署场景而引入的,例如多屏阵列、用于高频段的混合波束,特别是对多TRP或多屏操作的支持、灵活的CSI(Channel-state information,信道状态信息)采集和波束管理、支持多达32个端口的I型(低分辨率)和II型(高分辨率)码本以及用于MIMO传输的灵活RS(尤其是CSI-RS、DMRS和SRS)。而这些特点,NR-MIMO可以在以下几个方面与LTE-MIMO区别开。

  • II型码本可以比最优的Rel-14 LTE在平均用户吞吐量方面,提供实质性的提高(至少30%);
  • 灵活的CSI采集和RS设计允许后续增强的可扩展性;
  • 通过波束管理,NR-MIMO可在高频段(>6GHz)运行。

2.1 NR-MIMO与LTE-MIMO的对比

NR支持多层传输(单用户MIMO),下行和上行传输方向的最大传输层分别为8层和4层,MU-MIMO(多用户MIMO)情况下,上下行最大传输层可达12层。

在参考信号上,LTE具有“一刀切”的下行参考信号设CRS(Cell-Specific Reference Signal,单元特定参考信号),这限制了灵活的网络部署,不高效,不适用于更高的频谱(>6GHz),不适用于大规模天线的MIMO。

LTE的下行参考信号功能解调、同步、状态信息信道测量均由CRS作用。

而NR下行链路参考信号针对特定角色进行定制,可灵活适应不同的部署场景和频谱。

NR的下行参考信号DM-RS(Demodulation RS,解调参考信号)负责解调、TRS(Tracking RS,跟踪参考信号)负责同步、CSI-RS(Channel-state information RS,信道状态信息参考信号)负责信道状态信息测量、PT-RS(Phase Tracking RS,相位跟踪参考信号)负责相位噪声补偿。CSI-RS也可用于精细的频率/时间跟踪、移动性测量和波束管理测量等。NR-MIMO与LTE-MIMO的相关对比如表3所示。

表3 NR-MIMO与LTE-MIMO的对比

2.2 上行赋形

上行链路支持基于码本和基于非码本的链路传输,基于码本的是gNB(第5代基站)指示上行链路波束方向并预编码到UE,基于非码本的是gNB仅指示波束方向

基于码本的上行传输:

  • UE在不同波束方向发射多个SRS(Sounding RS);
  • gNB向UE指示波束方向(SRS索引)、秩(rank)和发送上行链路预编码;
  • UE按gNB指示发射上行链路。

基于非码本的上行传输:

  • UE在不同波束方向发射多个SRS;
  • gNB向UE指示波束/预编码方向和秩(均包含在SRS指标中);
  • UE发射上行链路,以匹配所示SRS的方向。

2.3 下行赋形

下行中,用于波束管理的参考信号为下行方向空闲态初始接入的SSB(Synchronization Signal Block,同步信号块),连接态时的CSI-RS或者SSB。根据L1-RSRP(Layer1-RSRP,物理层信号强度)测量选择TX和RX波束,并且在收发器上使用波束扫描空间滤波器改善波束方向。相应PDCCH、PDSCH和PUCCH的TX波束信息会指示给UE,该UE可以在接收端应用适当的RX波束。此外,还支持波束故障恢复,以实现从TX/RX波束失准的快速恢复。UE可以识别波束偏差,并用新的候选波束索引告知gNB。

NR中支持两种不同的CSI类型。I型适用于单用户MIMO传输,上行链路开销较小。II型用于多用户MIMO传输,信道信息更细,因此上行开销较大,如图4所示。

I型码本延续了LTE的双级码本方案,即预编码矩阵分解为两个矩阵的乘积:W=W1W2。其中,W1为宽带信息,具体为由DFT(Discrete Fourier Transform,离散傅里叶变换)向量组成的波束集合,W2是子带信息,从W1的波束集合中进行波束选择(每一列上只有两个元素取值非零,其他都为零)以及实现极化方向之间的同相位合并。NR的II型码本采用了线性合并方式构造预编码矩阵,能够显著地提升CSI精度进而极大地改善了MU-MIMO传输的性能。II型码本在结构上和I型码本一致,即也表示成两个矩阵的乘积形式。区别有两点:一是II型码本中W1由彼此正交的DFT波束组成;二是II型码本中W2的作用是对W1中的波束进行线性合并,各合并系数为非横模的复数。Type II码本的构造方式如下图所示。图中所示的配置有13个正交的DFT波束,W1从中选择了4个DFT波束(b0,b1,b2,b3)。W2中的4个合并系数对这4个DFT波束进行线性合并。合并系数分为幅度(a0=1,a1,a2,a3)和相位(P0=1,p1,p2,p3)两个部分分别反馈。

图4 NR中两种不同的信道状态信息类型

3、NR的多波束操作

NR中的波束管理机制,总体流程主要包括:波束扫描(发送参考信号的波束,在预定义的时间间隔进行空间扫描)、波束测量/判决(UE测量参考信号,选择最好的波束)、波束报告(对于UE,上报波束测量结果)、波束指示(基站指示UE选择指定的波束)、波束失败恢复(包括波束失败检测,发现新波束,波束恢复流程)。

3.1 多波束初始接入

对于多波束的初始接入,以三级波束选择过程为例,流程如图5所示:

  • 波束选择的第一级是宽波束的选择,类似于基于CSI-RSRP的虚拟单元选择。测量可以基于RS,与用于获取下行链路的CSI信息的CSI-RS类似。根据设计,多个宽波束可供选择,宽波束可以由宽模拟波束或混合波束形成;
  • 第二级是用于窄模拟波束或混合波束选择,这与LTE FD-MIMO(Full Dimension-MIMI,全维度MIMO)的Class B(基于波束赋形的CSI-RS)(K>1,波束数>1)中的CRI选择(UE上报CRI来指名要选择的合适波束)相似;
  • 第三级波束选择用于数字波束选择,类似于PMI(Precoding Matrix Indicator,预编码矩阵指示)选择。

图5 多波束管理的初始接入及通道对接

对于下行波束扫描SSB,在一个SSB发送的半帧(5ms)中,SSB的发送个数最大定义为Lmax,当频率<=3GHz时,Lmax个数为4个;频率介于3GHz~6GHZ之间时,Lmax个数为8个;频率>6GHz时,Lmax个数为64个。

3.2 波束失败恢复

由于多波束操作时波束宽度较窄,网络与终端之间的链路容易发生波束故障。当终端与网络之间连接存在障碍块时,终端使用非竞争性的PRACH资源请求新的波束分配,网络根据终端的波束故障恢复请求重新分配波束,最后建立新的波束对链路。

波束失败恢复的总体流程包括:

  • RRC高层下发波束失败检测/恢复相关配置参数
  • UE在连接态下的波束失败检测
  • 新波束的发现
  • 波束恢复请求
  • 完成波束恢复

4、结束语

本文结合5G NR Massive MIMO技术特点,总结了3GPP中关于NR MIMO研究内容及特点。3GPP Rel-15版本基本完成5G NR中对MIMO要求的内容,下一步Rel-16将对Rel-15版本进行完善和增强,旨在进一步提高系统性能、降低开销和时延。

参考文献

[1] 3GPP TSG RAN#81 RP-182067. Revised WID: Enhancements on MIMO for NR[S].2018.

[2] 3GPP TSG RAN#89 RP-1709232. WF on Type I and II CSI codebooks[S].2018.

[3] 3GPP TSG RAN#86 R1-166089. Beam Management Procedure for NR MIMO[S].2016.

[4] 3GPP TR 21.915. Release description; Release 15 V1.0.0[S].2019.

[5] 3GPP TR 38.912. Study on New Radio (NR) access technology V15.0.0[S].2018.

【本文为51CTO专栏作者“移动Labs”原创稿件,转载请联系原作者】

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【责任编辑:未丽燕 TEL:(010)68476606】

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