FDD Massive MIMO技术中多用户空分复用的研究

谢武生 董帝烺

【摘 要】5G技术越来越近，但是LTE网络在未来还将长期存在，利用5G的Massive MIMO技术来提升LTE网络的容量非常有价值。通过对Massive MIMO技术提升容量的MU-MIMO理论进行分析，实现在TM9和TM3/TM4模式下的MU-MIMO技术，并且在现网中分别进行了测试验证，基本达到了预期的效果。最后针对影响MU-MIMO性能的用户空间分布、激活用户数、用户业务类型等因素进行了定量分析，给出MU-MIMO在现网中应用的指导建议。

【关键词】大规模MIMO；多用户MIMO；传输模式9；传输模式3/4；时频网络资源；空分复用

Research on Multiuser Space Division Multiplexing in

FDD Massive MIMO Technology

XIE Wusheng， DONG Dilang

[Abstract] Though 5G technology comes， LTE network still exists in the future. It is valuable that 5G Massive MIMO technology is used to enhance the capacity of LTE network. MU-MIMO theory based on Massive MIMO technology to enhance capacity is analyzed. The MU-MIMO technology in TM9 and TM3/TM4 modes is implemented. It is tested in existing networks and achieves the desired effect. Finally， the factors to affect MU-MIMO performance such as user space distribution， number of active users and user service types are analyzed quantitatively and the suggestions on the application of MU-MIMO in existing networks are presented.

[Key words]Massive MIMO； MU-MIMO； TM9； TM3/4； time-frequency network resources； space division multiplexing

1 引言

5G非独立组网（NSA）标准已经于2017年12月份冻结，这标志着5G技术已经逐渐步入商用。在这标准中，5G NR将依靠LTE网络一起发展，以满足5G用户的需求提供一致的服务体验。同时，经过多年的网络建设部署，LTE网络已经拥有广泛的网络覆盖和庞大的用户群体基础，并且现在已经占据了95%以上的移动业务流量。未来几年，在5G终端还未全面普及的情况下，LTE用戶还将继续保持增长，LTE仍然是MBB服务的主要承载网络，LTE的流量还将继续增长，因此利用5G技术来提高LTE容量至关重要。

2 应用5G Massive MIMO提升4G网络

根据中国IMT-2020（5G）推进组发布的《5G无线技术架构白皮书》，5G无线关键技术主要包括：大规模天线、超密集组网、全频谱接入、新型多址技术、新型多载波技术、先进的调制编码技术、终端直通技术（D2D）、灵活双工、全双工、频谱共享等技术[1]。考虑到LTE网络还将持续存在较长的一段时间，如果能把这些5G的技术应用到4G网络中，这对提升现有网络的性能，持续推进网络的发展，将具有非常重要的意义[2]。这些关键技术中，大规模天线技术不依赖于5G网络，可以应用于现有的4G网络，它利用大规模阵列天线，实现波束更窄、更精确的波束赋形，更高流数的多用户空分复用等，提升网络容量和用户体验[3]，目前TD-LTE网络已经有初步的应用，但FDD-LTE网络中还未有真正的商用。

Massive MIMO技术提升网络容量，主要是利用MU-MIMO技术，是在发射端发射多个用户相互独立的信号，在接收端采用干扰抑制的方法进行解码，充分利用空间无线资源，在不增加频率和功率资源的情况下，理论上空口信道容量随着收发端天线对的数量线性增大，从而显著提高系统网络容量[4]。多用户空分复用允许多个不用的用户在同一个时频网络资源上传送数据，这些用户需要在空间上有一定的隔离，避免相互干扰。

3 MU-MIMO的理论研究

MU-MIMO是相对于SU-MIMO（单用户多进多出）提出来的，最早应用于Wi-Fi中，目前已经在LTE网络中取得很好的应用。在SU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单独的用户，分配给该UE的时频资源由该UE独占，可以提升该用户的传输速率。而在MU-MIMO中，空间复用的数据流调度给多个不同的用户，这些用户通过空分的方式使用相同的时频网络资源，利用用户彼此之间的空间隔离度进行区分，达到多用户空间分集的增益。

在MU-MIMO的通信网络中，如图1所示，一个基站可以和多个用户进行通信，此时基站配置了多根收发天线达到更高的空间自由度，而用户端不需要配置多根天线，基站与每一个用户都形成了一个MIMO通道，整体系统就是MU-MIMO系统。

图1 MU-MIMO系统

假设基站配置的天线数为NT，第k个用户有Nk根接收天线，基站到第k个用户的信道信息矩阵为NT×Nk的矩阵H。假设发送给第k个用户的数据矢量为Sk，则第k个用户接收到的信号为：

yk=∑Li=1HkSi+n=HkSi+∑Li=1，i≠kHkSi+n （1）

在MU-MIMO的研究实现中，对接收端的信号检测是一个重要的问题。在上行链路中，基站可以比较容易地获得用户上行信道的状态信息，采用多用户检测的方法可以恢复每个用户的发送信号。但在下行链路中，基站同时要向多个用户发送信号，用户会接收到期望接收到的信号，同时还有来自其它用户的干扰，由于是在同一个时频信道中进行通信，称为共道干扰。因此，在多用户MIMO系统下行链路中，需要消除或抑制共信道干扰[5]。

为了解决MU-MIMO下行链路多用户复用的干扰问题，可以在发射端或接收端进行干扰消除，但在接收端进行干扰消除的处理复杂度很大，因此采用在发射端采用下行链路预编码技术用于解决MU-MIMO下行链路用户之间互相干扰的问题。发射端将层映射后的数据通过预编码处理，可以有效地减小MU-MIMO下行传输中的多用户干扰，从而提高系统容量[6]。

对于FDD-LTE系统来说，由于上下行信道频率不同，MU-MIMO实现的难点在于需要利用更精准的CSI反馈来进行下行信道的测试和预编码[7]。不同天线的信号以不同的路径发送，每个天线端口需要一组参考信号才能获得准确的通道状态测量。但是，更多天线端口也会导致更多的信道开销，因此3GPP推出了TM9模式，使用CSI参考信号（CSI-RS）用于信道测量和反馈，而解调参考信号（DMRS）用于数据解调。由于TM9模式下可以实现窄波束的波束赋形，使得用户之间的信道更加独立，从而大大减少了用户之间的干扰，并确保了以相同时频网络资源传送数据的性能。目前研究的Massive MIMO技术在TM9模式下最高可以实现16流的复用，也就是最高可以达到8个用户双流的空分复用[8]。

现网中支持TM9模式的商用终端几乎没有，为了适配现网用户的终端，需要研究TM3/TM4模式下的MU-MIMO。目前在TM3/TM4模式下，可以把大规模阵列天线划分形成4个虚拟的天线扇区，虚拟扇区之间通过多天线的赋形增加空间的隔离和空间的辨识度，虚拟扇区都归属于同一个逻辑小区，具有相同的PCI等小区属性。在TM3/TM4模式下实现的MU-MIMO最多只能支持4个用户同时空分复用，系统的容量比TM9模式会小一些，但对现网用户，理论上已经能达到4倍的提升。

4 MU-MIMO的应用情况

4.1 TM9模式的应用

在TM9模式下，由于增加了CSI-RS和DMRS参考信号产生的开销，使得单用户的峰值速率只能达到约128 Mb/s[3]。理论上Massive MIMO在TM9模式下可以实现最高8个用户的空分复用，在研究中为了验证TM9模式下的MU-MIMO性能，尽可能利用空间的隔离进行多个支持TM9模式UE测试终端分散分布，但由于测试环境的限制，只能达到6个测试终端能有效空间隔离。利用大数据量的下载业务测试，并从后台统计小区的总吞吐量。当Massive MIMO小区使用TM9模式时，现网中的正常用户终端均不支持TM9模式，因此小区的总吞吐量是测试终端的总吞吐量。通过测试可以发现，6个UE测试总速率达到717 Mb/s，平均单用户速率接近120 Mb/s，如表1所示。

通常现网小区理论上吞吐率只有150 Mb/s，而TM9模式下MU-MIMO小區总吞吐率为717 Mb/s，提升了约4.8倍。测试终端相距较近时，由于空间隔离度不够，无法达到空分的效果，这些终端只能进行频分，测试的系统总吞吐率将会下降。

4.2 空载TM3/TM4模式的应用

在TM3/TM4模式下，不需要增加CSI-RS和DMRS参考信号，因此信道开销与现网一致，理论上每个UE可以达到峰值速率150 Mb/s。但在实际测试中，用户使用同一个时频网络资源的空分复用时，即使在信号覆盖较好的情况下，系统为了降低用户之间的相互干扰，MCS不会调度太高，系统为每一个用户调度的速率也远达不到理论速率，实际测试只有约112 Mb/s，小区的总吞吐率达到450 Mb/s，如表2所示：

表2 TM3/TM4模式的MU-MIMO测试

UE PCI RSRP/dBm SINR/dB 平均MCS 平均调度的RB数 UE下行平均

速率/Mb·s-1

UE1 51 -53.2 22.9 23.7 97.9 106.6

UE2 51 -52.2 23.5 24.7 99.2 114.3

UE3 51 -53.1 23.1 24.5 99.2 112.3

UE4 51 -52.6 23.6 24.98 99.4 117.2

在进行TM3/TM4模式的测试时，要达到系统的容量更大，需要4个用户在空间上具有一定的空间隔离度，如果其中的用户空间隔离度不够，将无法空分调度相同的时频网络资源。

4.3 商用网络的应用

在实际的商用网络中，用户不会像研究测试中的测试终端在空间分布上具有良好的空间隔离度，用户的分布受楼房分布、时间等因素呈不确定性，当大量用户进行通信时，系统在进行多用户的空分调度时，不一定能找出具有良好空间隔离度的多个用户同时进行空分复用。同时进行空分调度的用户有可能会小于理论的4个用户，使得系统的总吞吐率下降。并且存在调度空分复用的用户会进行移动的情况，这有时会破坏多用户之间的空间隔离度，有时也会导致系统总吞吐率的下降。

为了验证FDD Massive MIMO在商用网络中的MU-MIMO性能，进行了不使用Massive MIMO、配置TM3模式的Massive MIMO、配置TM4模式的Massive MIMO这3种现网场景的研究。在RRC最大激活用户数约120个的高负荷小区下，不应用Massive MIMO的普通小区下行业务平均速率达到约25 Mb/s，而应用TM3/TM4模式的Massive MIMO技术后小区的下行业务平均速率达到44 Mb/s以上，小区的系统容量提升了近1倍，如表3所示：

5 影响MU-MIMO性能因素的分析

FDD Massive MIMO在进行MU-MIMO的用户调度中，会进行用户空间隔离度的计算分析，用户的空间分布将对MU-MIMO的性能产生较大的影响，并且在用户量较大的情况下MU-MIMO能找到空分配对的机会也相对较高。现网中的普通用户进行数据业务时，除了视频等流媒体业务是使用大包数据外，大部分的应用都是小包数据，数据包的大小也会对MU-MIMO的性能产生影响。因此针对影响MU-MIMO性能的3个重要因素：用户空间分布、激活用户数、用户业务类型进行了定量的分析。

5.1 用户空间分布的影响

FDD Massive MIMO空分复用要求各空分用户之间保持一定的空间隔离度，这样才能增加空分倍数，提升空分增益。把用户相对于FDD Massive MIMO小区的分布从左到右，分成7个区间，如图2所示，横轴代表水平7个波束方向。通过统计可以得到，用户分布相对集中，主要集中在波束5，这种分布方式不利于产生更高的空分倍数。如果要达到更高的空分倍数，要求用户在各个波束之间的分布相对均匀。

图2 用户空间分布图

5.2 激活用户数的影响

FDD Massive MIMO小区在激活用户较高的情况下，即实际业务需求用户较多的情况下，空分的概率更大，从而空分倍数会更高，提升空分增益。通过网管跟踪Massive MIMO小区平均激活用户数与空分倍数的关系，空分倍数会随着用户平均激活用户数的增加呈线性增加，如图3所示：

图3 激活用户数与空分倍数关系图

5.3 用户业务类型的影响

FDD Massive MIMO空分復用在大包数据调度比例相对较高的情况下能增加空分的概率，从而提高空分倍数，提升空分增益。提取Massive MIMO小区大包用户占比数据进行分析：当大包数据调度比例小于50%时，系统的空分倍数得不到较大提升；大包数据调度占比达到60%后，系统的空分倍数可以有较大的提升，如图4所示：

图4 大包调度与空分倍数关系图

6 结束语

Massive MIMO技术在TD-LTE已经比较成熟，对于FDD-LTE来说还处于起步阶段，还未有成熟的商用部署。从技术研究上来看，Massive MIMO技术通过波束赋形和MU-MIMO技术，对于FDD-LTE网络系统容量的提升具有显著的成效，随着国家对通信运营商提出的提速降费，用户使用的数据流量还将继续爆发性地增长，不久的将来LTE网络扩容将面临越来越大的压力，Massive MIMO技术将是非常有用的利器。通过对Massive MIMO技术多用户空分复用的研究和应用，对于商用网络部署Massive MIMO技术，主要应用于高流量的热点区域。在部署时，需要测算用户空间分布情况、小区激活用户数情况、小区用户业务类型情况，建议部署在用户空间分布比较均匀，RRC平均激活用户数高于60个，大包数据占比达到60%的小区，这样才能更好地发挥出Massive MIMO的技术优势。并且在部署时需要对Massive MIMO的天线进行优化调整，使得天线覆盖下的用户性能尽量满足以上要求。

参考文献：

[1] Afif Osseiran， Jose F Moserrat， Patrick Marsch. 5G移动无线通信技术[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2017.

[2] 李福昌. 5G技术在4G网络中应用的前景探讨[J]. 通信世界， 2017（13）： 50-52.

[3] 董帝烺. Pre5G Massive MIMO技术的研究[J]. 移动通信， 2017，41（20）： 74-79.

[4] 韩玉楠，李轶群，李福昌，等. Massive MIMO关键技术和应用部署策略初探[J]. 邮电设计技术， 2016（7）： 23-27.

[5] 刘瑞雪. MU-MIMO下行链路多用户调度算法研究[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2014.

[6] 李曼潇. LTE系统MU-MIMO用户配对技术的研究[D]. 广州： 华南理工大学， 2016.

[7] 赵昆. LTE中下行MU-MIMO的物理层技术分析[J]. 邮电设计技术， 2015（4）： 5-8.

[8] 李福昌. 4.5G/5G时代Massive MIMO无限风光在险峰[J]. 通信世界， 2017（10）： 43-44.