5G新空口大规模波束赋形技术研究

孙韶辉 无线移动通信国家重点实验室（电信科学技术研究院有限公司）教授级高工

1 引言

ITU确定了5G的三大应用场景：应用于移动互联网的增强移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，进一步分为广域连续覆盖和局部热点覆盖两个子应用场景；应用于物联网的大连接物联网（massive Machine Type Communications，mMTC）和高性能物联网（Ultra Reliable and Low Latency Communications，URLLC）。三大场景提炼了8个关键技术指标，其中eMBB重点关注6个指标，mMTC重点关注2个指标，URLLC则强调传输时延指标。为了满足ITU制定的三大应用场景技术指标，需要采用先进的无线传输关键技术，主要包括大规模波束赋形、超密集组网、新型编码调制、毫米波高频段通信等。其中，大规模波束赋形通过数十到数百根天线实现单用户和多用户的空分复用，可以有效提升频谱效率5～10倍，是5G新空口构建的核心技术。

空间自由度是多天线系统获取性能增益的源泉。因此，无论是理论研究还是实际无线传输系统的发展都在围绕着空间维度扩展这样一条主线进行。近年来，大规模波束赋形理论的出现，为空间维度的扩展奠定了理论基础，而这一理论的正确性已经通过早期的信道实测与试验工作得以验证。随着有源天线技术在商用移动通信领域的发展，对天线维度的进一步扩展以及对信道垂直维空间自由度的挖掘也逐渐成为可能。

5GNR标准制定分为R15和R16两个阶段，R15主要面向eMBB和URLLC需求设计，2017年12月完成R15非独立组网版本，2018年6月形成R15独立组网版本。本文将结合标准最新进展对5G新空口设计中大规模波束赋形技术进行介绍分析，并进一步总结出面向eMBB、URLLC和mMTC业务的大规模波束赋形的应用方式。

2 5G新空口多天线技术

随着有源天线技术商业成熟度的提升，垂直维数字端口的开放与天线规模的进一步扩大逐渐成为可能。在此背景下，3GPP从R12阶段开始了针对3D信道与场景模型问题的研究，并在R13、R14版本中对FD-M IMO技术进行了研究与标准化。自此，开启了大规模波束赋形技术进入标准化发展的新篇章。随着5G时代的来临，面对诸多更加严苛的技术指标需求，大规模波束赋形技术仍然被认为是5G系统中最重要的一项物理层技术。因此，5GNR以R14的增强型FDM IMO技术为基础，完成了NR中的大规模波束赋形技术的第一个版本的标准化。

随着天线规模的增大，以及高频段模拟波束的使用，使得大规模天线技术在发展过程中将面临一些新的挑战，本文重点介绍大规模波束赋形在标准化中的传输方案、信道状态信息反馈机制、参考信号设计以及波束管理的相关设计。

2.1 多天线传输方案

大规模波束赋形技术的理论基础在于，随着天线数目的增加，多用户之间的信道趋于正交，用户之间的干扰趋于消失，从而可以支持高阶的多用户M IMO（MU-M IMO）传输，实现频谱效率的大幅度提升。5G NR支持最多12个正交的DMRS端口，从而通过正交的DMRS端口可以支持12个并行数据流MU-M IMO传输。实际上，只要基站的天线阵列足够大，通过非正交的DMRS端口，5GNR可以支持的并行数据流数目可以远大于12个。

（1）按照DMRS和数据的预编码矩阵之间的关系对传输方案进行分类

●透明方案

数据和DMRS采用相同的预编码矩阵，终端由DMRS得到的信道估计值直接用于解调，无需预编码矩阵信息。因为无需在控制信令中指示预编码矩阵信息，数据和DMRS传输的预编码矩阵可以更加灵活的选择，而不必局限于一定的码本之中，有利于获得最大的波束赋形增益。4G LTE的TM 8、9、10的传输方案属于透明传输方案。

●非透明方案

数据和DMRS可以采用不同的预编码矩阵，终端需要获知基站的预编码矩阵相关信息才能进行解调。非透明方案的预编码矩阵的选择受限，不能使用与空间信道完全匹配的预编码矩阵，波束赋形增益相对于透明方案偏小。4G LTE支持的发射分集以及开环空分复用方案即属于此类方案。

（2）按照基站侧的预编码矩阵的确定方式对传输方案进行分类

●闭环方案

预编码矩阵由终端测量反馈或者基站测量（信道互易性）得到，基站可以选择最佳（与空间信道最匹配）的预编码矩阵（波束）为终端发送数据，最大化波束赋形增益。由于涉及到终端的测量反馈，在终端移动速度较高的场景中，难以确定最佳的预编码矩阵，导致实际性能的下降。

●开环/半开环方案

预编码矩阵部分或者完全不由终端测量反馈或者基站测量（信道互易性）得到。如图1所示，为降低移动速度对闭环预编码方案的影响，基站为终端传输数据轮流使用一个波束集合中的波束。波束集合可由终端反馈的宽带长时信道状态信息确定，降低终端移动的影响。

图1 闭环以及半开环传输方案

NR下行链路支持的传输方案是透明的闭环和半开环传输方案，用于不同的场景，如低速移动和高速移动场景。非透明方案因为应用较为局限，且对控制信令设计等的影响比较大，在NR中没有支持。

NR上行链路支持两种传输方案：基于码本的传输方案和非码本传输方案。基于码本的传输方案和LTE并没有很大差异，主要的区别在于码本的设计。非码本传输方案则是NR新引入的传输方案。非码本方案基于预编码SRS完成，且预编码SRS的预编码矩阵为终端通过信道互易性得到。图2给出了非码本传输的完整过程。基站通过PDCCH触发终端发送非周期SRS，同时也触发了下行的非周期CSI-RS传输。终端对非周期CSI-RS测量得到下行信道，利用信道互易性得到上行信道，从而计算出上行的预编码矩阵。终端用此预编码矩阵对SRS进行预编码传输。终端发送的SRS由多个SRS资源构成，每个SRS资源都是单端口。因此，每个SRS资源都代表了一个上行数据流的预编码向量。基站从中选择，并将选择的结果通过PDCCH通知给终端，通知的内容为SRI（SRSResource Index）。终端使用PDCCH中SRI指示的SRS资源的预编码向量发送对应的数据流。基站可以选择多个SRI并指示给终端，支持多流空分复用传输。

图2 上行非码本传输方案过程

2.2 信道状态信息（CSI）反馈机制

NR系统引入了一套统一的反馈框架，能够同时支持CSI反馈和波束测量上报。该反馈框架内，所有的和反馈相关的参数都是可以配置的，例如测量信道和干扰的参考信号、反馈的CSI的类型、所使用的码本、反馈所占用的上行信道资源、反馈的时域特性（周期、非周期、半持续等）、反馈的频域特性（CSI的带宽）等。网络可以根据实际的需要配置相应的参数。相比之下，LTE需要使用多种反馈模式，并且将反馈和传输模式绑定，灵活度欠佳。NR CSI反馈框架的应用实例如图3所示。CSI反馈框架中包括Reporting setting配置和Resourcesetting配置，其中Reportingsetting用于配置CSI上报相关的参数，例如所使用的码本、时频域颗粒度等；Resourcesetting用于配置CSI测量所需的参数，即信道测量参考信号以及干扰测量资源。Reporting setting和Resourcesetting之间有一定的链接关系。一个Reportingsetting可以链接到多个Resourcesetting，分别用于不同的目的，如图3中Reportingsetting0链接到3个Resourcesetting。同时，一个Resourcesetting也可以链接到多个Reporting setting，如图3中的Resourcesetting0。

图3 CSI反馈框架

MU-M IMO系统的性能依赖于CSI的获取精度以及后续的预编码与调度算法的优化程度。高精度CSI的获取是大规模天线系统设计与标准化的一个关键议题。针对此问题，NR系统中定义了两种类型的码本，即常规精度（Type I）码本与高精度（Type II）码本。其中Type I主要针对SU-M IMO或MU-M IMO，而Type II则主要针对MU-M IMO传输的增强。Type I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Type II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-M IMO传输的性能。Type II码本在结构上和Type I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Type II码本中W1由彼此正交的DFT波束组成；二是Type II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码本的构造方式如图4所示。图4中所示的配置有8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。

信道互易性是TDD系统特有的优势，即TDD系统利用信道互易性可以获得高精度的CSI，而不依赖与码本的设计和反馈。NR支持TDD系统中基于信道互易性的CSI反馈机制：No-PM I反馈。No-PM I反馈的过程以及应用场景如图5所示。终端在上行OFDM符号发送探测参考信号（SRS），基站接收SRS参考信号，利用信道互易性得到下行信道的估计值H，并计算出对应的特征向量V（以特征向量为例，应用中也可以是其他的算法）。基站用特征向量V对下行信道状态信息参考信号（CSI-RS）做波束赋形。该CSI-RS为多端口CSI-RS，每个端口用一个预编码矩阵（向量）进行赋形，可以看成是对应这一个数据流。终端从CSI-RS估计出的信道实际上就是波束赋形之后的每个数据流的等效信道。为降低终端的计算复杂度和反馈开销，基站会为终端配置每个Rank（并行数据流数量）假设下终端需要测量的天线端口，例如Rank=1时测量端口p0，Rank=2时测量p0、p2等。终端只需要对每个Rank假设下的天线端口进行测量，选择最佳的Rank，以及将对应的信道质量（CQI）反馈给基站。接收到终端反馈的Rank和CQI之后，基站可以用与Rank值对应的CSI-RS端口的波束赋形权值发送数据流。

2.3 参考信号设计

为了保证前向兼容性和降低功耗，NR尽量减少持续发送的参考信号。除同步信号外，所有的参考信号的具体功能、发送的时频位置、带宽等都可以进行配置。

图4 高精度码本构造说明

图5 No-PMI反馈机制及应用

NR对LTE已经存在的CSI-RS进行了进一步的扩展，除了支持CSI测量外，还支持波束测量、RRM/RLM测量、时频跟踪等。CSI-RS支持的端口数包括1、2、4、8、12、16、24和32。CSI-RS的图样由基本图样聚合得到，并且支持多种基本图样和CDM类型。

NR 支持 Non-precoded CSI-RS（NP-CSI-RS）和Beam formed CSI-RS（BF-CSI-RS）两种类型的CSI-RS（见图6）。NP-CSI-RS本身不进行波束赋形，或者用宽波束赋形传输，实现对整个小区角度范围的覆盖。因为是宽波束传输，NP-CSI-RS可以在一个小区内的所有用户之间共享，并且天线端口数量可以设置的比较大。NP-CSI-RS结合Type II码本反馈可以实现高性能的MU-M IMO传输。BF-CSI-RS用窄波束对CSI-RS进行赋形传输，角度域内覆盖范围较小，但是覆盖距离可以比NP-CSI-RS更大。BF-CSI-RS需要按照终端所在的方向进行定向传输，不同终端的CSI-RS之间较难共享，因此BF-CSI-RS的开销和用户数正相关。BFCSI-RS可以用来支持non-PM I反馈、波束测量反馈等。实际应用中，NP-CSI-RS和BF-CSI-RS也可以结合起来使用。例如，以较大的周期发送NP-CSI-RS，令终端反馈宽带CSI信息。在此基础上，根据终端的业务需求，可以调度非周期的BF-CSI-RS，以获取更精确的信道状态信息。对BF-CSI-RS赋形的波束可以从NP-CSI-RS的测量和反馈中得到。非周期的BF-CSIRS按需触发和发送，有利于降低系统开销。

在NR系统中设定的带宽和时隙内，上下行采用了相同的解调参考信号DMRS设计，用于传输信号的解调（包括控制信道和业务数据信道）。解调参考信号有两种，类型1和类型2。类型1将同一个OFDM符号的频率子载波资源分为两组，每组由间隔的子载波组成。在同一组子载波上可以通过码分复用2个端口，因此在一个OFDM符号中最多可以复用4个端口。类型2将同一个OFDM符号的频率子载波资源分为3组，每组以将相邻的两个子载波组成资源对作为基本单位，在同一组子载波上最多可以映射2个端口，因此在一个OFDM符号最多可以复用6个端口。

对于DMRS的设计有以下考虑因素：

（1）DMRS导频前置

为了降低解调和译码时延，NR系统中PDSCH和PUSCH的DMRS采用了前置（Front-load）设计思路。在每个调度时间单位内，DMRS首次出现的位置尽可能地靠近调度的起始点。前置DMRS导频的使用，有助于接收侧快速估计信道并尽早开始检测译码，对于降低时延并支持自包含结构具有重要的作用。

（2）附加DMRS导频

对于低移动性场景，前置DMRS导频能以较低的开销获得满足解调需求的信道估计性能。但是，NR系统所考虑的移动速度最高可达500km/h，面临动态范围如此之大的移动性，除了前置DMRS导频之外，在中/高速场景之中，还需要在调度持续时间内安插更多的DMRS导频符号，以满足对信道时变性的估计精度。针对此问题，NR系统中采用了前置DMRS导频与时域密度可配置的附加DMRS导频相结合的DMRS导频结构。

（3）上下行对称

图6 CSI-RS传输方式：NP-CSI-RS（左）和BF-CSI-RS（右）

考虑到更为灵活的网络部署以及灵活的双工方式，上下行链路之间可能会存在较为明显的干扰。这种情况下，上下行的对称设计对于估计和抑制不同链路方向之间的干扰将会带来更大的便利。同时，OFDM波形在上行链路中的应用，也为上下行对称设计创造了条件。在DMRS导频设计中，上下行的对称性体现于：

●图样以及端口的复用方式的一致性，上行使用OFDM波形时，上下行DMRS的图样、序列以及复用方式均一致。

●配置方式的一致性，取决于具体配置，上下行DMRS导频的时域位置可以相同，从而有可能估计出不同方向链路的空间干扰信息，并更为有效地对其进行抑制。

NR还引入了相位噪声补偿参考信号（PT-RS），用于工作在高频段的基站和终端估计并补偿相位噪声。

2.4 波束管理波束失败恢复

毫米波频段由于天线尺寸以及传播条件限制，需应用大规模波束赋形技术来补偿路径传播损耗和遮挡。且出于成本和功耗等考虑，模拟或者混合（模拟+数字）波束赋形是主要的技术手段。为此，NR设计了波束管理机制使基站和终端可以对齐发射和接收波束，包括波束的测量和上报机制、波束指示机制等。如图7（左）所示，基站选择了一个发射波束之后，信号沿着特定的方向传播，终端需要使用与基站的发射波束对应的接收波束进行接收，否则终端接收信号的质量会下降甚至无法接收到有用信号。因此，发射波束和接收波束之间有一定的对应关系，称之为一个波束对。

为实现收发波束对的对齐，基站以波束扫描的方式传输参考信号（如CSI-RS）。如果一个基站能够发送M个模拟波束，可以为每个波束配置一个参考信号用于波束的测量，每个参考信号用所对应的模拟波束赋形。这M个参考信号在不同时域或频域资源上传输，以便于基站能够针对每个波束方向调整移相器的配置来实现模拟波束赋形。同时，终端通过对N个接收波束分别对M个参考信号进行测量，选择合适的接收波束，此过程如图7（右）所示。因此，基站与终端间一共需要测量MN个波束对，寻找到最佳的收发配对波束。终端将选择出的K（具体个数由网络配置）个最佳的发射波束的标识信息（参考信号的标识，如CSIRSResource Index）上报给网络，发射波束对应的接收波束不需要上报，终端自行记录下来即可。在进行数据传输时，因为收发波束之间有对应关系，基站需要将数据传输所使用的发射波束通知给终端，终端则根据记录的收发波束之间的对应关系和基站的通知设置合适的接收波束。

模拟波束赋形的特性导致基站需要将下行传输使用的波束通过控制信令指示给终端，以便终端设置合适的接收波束。这个过程称之为波束指示（Beam Indication）。对于 PDSCH，NR通过 DCI中的 TCI（Transmission Configuration Index）域来指示下行传输的波束，具体的指示方式如图8所示。终端接收到的DCI中包含TCI状态。每个TCI状态包括参考信号标识（RSID）和QCL类型（QCLType）。终端根据TCI状态中的RSID找到对应的RS，该RS可以是波束管理过程中测量过的RS，通过波束管理的测量过程，终端已经获知接收该RS（即对应的波束）所应该使用的接收波束。终端使用该RS的接收波束接收PDSCH。

图7 收发波束对齐（左）和波束扫描与测量（右）

PDCCH的波束可以和PDSCH的波束不同。一般来说，PDSCH的目标是尽可能获得高的频谱效率，应该尽量用窄波束传输。而PDCCH的可靠性更加重要，因此一般应该用宽波束传输。为此，NR支持PDCCH和PDSCH使用不同的波束。PDCCH的波束指示基本原理和PDSCH相同。区别在于，PDCCH的波束是通过RRC信令配置或者RRC信令结合MACCE配置的方式指示，其原因在于PDCCH的波束不会快速地变化，不适用物理层信令指示。束，终端将发送基于竞争的PRACH。

（4）基站响应。终端发送波束失败恢复请求之后，在一定的时间窗内接收基站的响应。如果终端在时间窗内能收到基站在特定的资源上发送的PDCCH，则认为波束失败恢复请求发送成功。后续基站可以为终端配置新的波束，切换到新波束上进行数据的收发。

图8 波束指示

由于人体遮挡、旋转等因素会导致已经对齐的波束失效，为了能快速地从失效状态恢复，NR设计了波束失败恢复（Beam FailureRecovery）机制，包括波束失败的检测、波束失败请求发送和响应接收等。

（1）波束失败检测。终端检测基站配置的CSIRS，评估是否满足触发波束失败恢复的条件。一般来说，CSI-RS的发送波束应该和PDCCH的波束相同，可以用CSI-RS的质量评估PDCCH的质量。如果终端判断假设的PDCCH误块率高于配置的门限值，则认为该PDCCH的波束发生失败。如果所有的PDCCH波束发生失败，则认为发生波束失败事件。

（2）新波束检测。目的是为基站提供从波束失败中恢复的目标波束。终端测量基站配置的参考信号，搜索新的可用波束。新波束的L1-RSRP要求高于一定门限值，门限值由基站配置。

（3）波束失败恢复请求发送。终端检测判断发生了波束失败事件，并且找到了一个新的可用波束的话，终端可以发送波束失败恢复请求，通知基站发生了波束失败事件，并且将新波束的标识信息也传递给基站。波束失败恢复请求是在专门配置的PRACH资源（非竞争PRACH资源）上发送。如果没有找到新的波

3 大规模波束赋形技术在各场景中的应用方式分析

大规模波束赋形技术是5G NR系统设计的基石，对系统的各个方面都有着深远的影响。NR的多天线技术设计对于满足不同场景的技术指标都有相应的作用。

3.1 eMBB场景

eMBB场景主要的技术指标为频谱效率、峰值速率、能量效率、用户体验速率等。大规模波束赋形技术通过高阶MU-M IMO传输可以获得极高的频谱效率。NR设计的高精度的CSI反馈方案、TDD系统的non-PM I反馈方案以及12个正交DMRS端口，将无线移动通信系统的频谱效率推到一个新的高度。同时，随着天线规模的增加，用户间干扰和噪声的影响都趋于消失，达到相同的覆盖和吞吐量所需的发射功率也将降低，提升能量效率。高频段大带宽是达到峰值速率的关键，大规模多天线技术提供的赋形增益可以补偿高频段的路径损耗，使得高频段的移动通信应用部署成为可能。

3.2 URLLC场景

URLLC场景的重点在于时延和可靠性。NR支持的半开环M IMO传输方案，通过分集增益的方式增强传输的可靠性。此外，分布式的大规模多天线技术，或者Multi-TRP传输技术，将数据分散到地理位置上分离的多个传输点上传输，可以进一步提升传输的可靠性。

3.3 mMTC场景

mMTC场景主要满足的技术指标为连接数量和覆盖。大规模多天线技术的波束赋形增益，有助于满足mMTC场景的覆盖指标。同时，高阶MU-M IMO也有利于连接数量的大幅提升。

4 结束语

NR标准的第一个版本（R15）已经完成，第二个版本（R16）的制定工作已经正式启动。大规模波束赋形技术在R15完成了基本特性的标准化，R16会继续有针对性地进行增强。

（1）多点/多面板传输

NRR15在早期进行了多点/多面板传输的研究，但是由于时间关系没有进一步展开，仅支持了基本的多点传输方案，例如动态传输点选择等。NRR16将针对非相干联合传输方案（NC-JT）的CSI反馈、传输方案和下行控制信令等方面进行设计，以获得一个完整的解决方案。

（2）信道状态信息反馈增强

信道状态信息反馈增强是M IMO技术演进中不可获缺的主要议题。NRR15针对不同的部署场景设计了低精度和高精度两种码本，具有不同的终端复杂度和上行反馈开销。高精度码本以多级CSI反馈为主要框架，每个用户数据流通过多个DFT向量的线性合并来提高反馈精度。R16将在现有框架下进一步延伸，一方面对高精度反馈的开销进行压缩，增强其实用性；另一方面，也将探索将高精度CSI反馈扩展到更高阶（>2）传输的可能性。

（3）波束管理

在R15中引入的波束管理主要集中在下行，而在上行数据信道，上行SRS测量和上行控制信道方面则不够灵活。鉴于网络性能通常受到上行链路的限制，上行波束管理是R16弥合DL/UL用户体验差距的另一个重要领域。潜在的增强包括支持更灵活的上行波束扫描机制，例如在上下行互易性不满足条件下如何进行上行波束管理，以及PUCCH/SRS/PRACH波束指示增强。