面向5G新空口的码本设计标准化研究

刘慧 赵奕晨 江甲沫 赵楠德

【摘  要】R15阶段，5G新空口码本设计基本延用R13、R14的码本设计思路，但为了满足多种传输场景，R15的码本设计更为精细，同时引入了多天线阵面码本、混合波束赋形等新特性，为后续码本技术增强做好了准备。根据目前标准进展，总结了R15阶段5G新空口码本技术的标准化内容，讨论了R16阶段码本增强技术，最后给出了各种码本方案优缺点的对比及应用分析。

【关键词】5G;码本设计;MIMO

中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）04-0002-06

[Abstract] In the stage of Rel-15 version， the codebook design in 5G New Radio （NR） basically inherits the codebook design idea in Rel-13 and Rel-14. However， in order to meet the multiple types of transmission scenarios， more fine codebook design introduces multi-antenna array codebook and hybrid beamforming to enhance the subsequent codebook technique. Based on current standardization progress， the standardization contents of 5G NR codebook design in Rel-15 version are summarized in this paper， and the codebook enhancement in Rel-16 version is discussed. Finally， the comparison of advantages and disadvantages of different codebook schemes， as well as the application analysis are presented.

[Key words] 5G; codebook design; MIMO

1   引言

LTE阶段引入多天线技术大幅提升系统吞吐量，最开始的R8版本Householder码本最大支持4天线发送。LTE-Advanced阶段将天线扩展到最大支持8天线发送，R10版本开始采用基于DFT（Discrete Fourier Transform）波束的码本[1]，一直沿用至今。在这过程中，R13版本将二维码本扩展至三维码本能够更好地应用在二维天线阵列中，支持的端口数和层数也在不断增加，到R14版本已经能够支持最大32端口，最多8层数据同时发送。

面向5G新空口，随着载波频率的升高，天线数进一步增加，空间信道的复杂性和多样性也进一步提高，之前的码本方案已经逐渐不能满足5G的性能需求。因此，R15版本以R14码本设计为基础完成了5G新空口的大规模MIMO技术的第一个标准化版本的码本设计[2]。

尽管R15版本提出的Type II码本能够有效提升用户平均吞吐量（至少30%），但CSI反馈开销太大，且与理想信道状态反馈性能还是存在很大差异，尤其是对多用户MIMO场景。所以，R16阶段开启了对码本增强技术的研究[3]，第三节详细介绍了码本增强技术目前的候选技术及讨论进展。第四节对本文所涉及的码本技术进行了总结和对比分析，并讨论了在不同应用场景中各码本的优缺点。

2   R15码本设计标准化内容

用户设备通过测量基站发送的导频信息（CSI-RS）得出信道状态信息（CSI），然后准确地把信道状态信息反馈给基站，对MIMO系统性能起到至关重要的作用。因此，码本设计的准确度以及对应的反馈预编码标识（PMI， Precoding Matrix Indicator）对码本的还原度和反馈开销大小都会影响系统的整体性能。由于5G场景对数据传输速率要求更加严格，5G新空口R15版本定义了两种类型的码本：常规精度码本（Type I码本）和高精度码本（Type II码本）。5G还引入了多天线阵面，为了适配阵面之间灵活的部署方式，设计了多天线阵面码本。此外，5G还支持类似于LTE的Class A反馈、Class B反馈及混合反馈方式，因此还设计了支持赋形CSI-RS传输方案的端口选择码本[4]。

2.1  Type I單天线阵面码本

Type I码本延用了LTE的码本设计原理采用W=W1*W2的两级码本结构，其设计目的不仅要满足链路性能需求，还要考虑码本设计的反馈开销，因此基于波束选择设计了码本。W1根据信道的长期宽带空间特性选择宽带波束组，W2根据信道的短期子带特性选择波束并量化两极化方向之间的相位差以实现极化方向之间的同相位合并。码本生成过程如图1所示。

（1）波束集合

首先，空域第一维正交基由N1个长度为N1的DFT波束构成，乘以旋转因子R（q1）进行O1倍过采样细化波束粒度。同样，第二维正交基由N2个长度为N2的DFT波束构成，乘以旋转因子R（q2）进行O2倍过采样。N1和N2分别为水平维和垂直维天线端口数，O1和O2分别为水平和垂直维过采样率，如公式（1）和公式（2）所示：

两维DFT波束分别通过克罗内克积相乘，如公式（3）所示，得到空域波束集合，包含N1O1N2O2个波束。

（2）选择宽带波束组

用户设备通过测量信道信息从空域波束集合中选择宽带波束组生成码本W1。W1基于块对角线结构，每个对角块B表示一个极化方向的波束组，不同极化方向的天线阵列使用相同的波束组，即从N1O1N2O2个波束中选出L个DFT波束，L可配置为1或4。L=4时选择相邻波束，一维天线选择四个相邻的波束，如图2（a）所示，二维天线选择第一维度的两个相邻波束和第二维度的两个相邻波束克罗内克积形成的波束，如图2（b）所示。

（3）波束选择和相位差量化

用户设备生成，其中P用于选择波束（L=4），被选波束对应位置为1，其余元素为0，φ用于量化两极化方向之间的相位差，采用2NP-PSK量化，NP∈{1， 2， 3， 4}，码本如公式（5）所示：

2.2  Type I多天线阵面码本

Type I单天线阵面码本设计均假设天线均匀分布，而多天线阵面的部署往往与实际场景相关，阵面可能非均匀分布，单天线阵面码本使用的DFT波束不能准确匹配非均匀分布天线阵列的信道响应。因此，基于Type I单天线阵面码本构造了Type I多天线阵面码本，通过在单天线阵面码本之间引入阵面间相位调整因子而得到，如公式（6）所示：

其中，对角块B与L=1时的Type I单天线阵面码本相同，Ng表示天线阵面个数，支持2个或4个阵面，φi表示阵面间相位调整因子，采用2NP-PSK量化，NP=2。

2.3  Type II单天线阵面码本

Type II码本是高精度码本，利用波束组合原理设计码本[5]。LTE阶段，采用L=2个正交波束作为基向量进行合并，不同极化方向的合成系数相同。5G新空口Type II码本扩展了用于合并的正交波束个数，且不同极化方向独立进行波束合并，码本灵活性和精度均比Type I有所提高，但是反馈开销也显著增加，因此只支持Rank=1或2（并行数据流数量）的传输情况。受标准化时间限制，R15版本只定义了Type II单天线阵面码本，而多天线阵面码本没有进行标准化，码本生成过程如图3所示：

（1）选择波束正交基

Type II也是基于W=W1*W2的两级码本结构，其空间波束集合与Type I相同。由于Type II是利用正交波束合并生成码本，用户设备通过测量信道信息从空域波束集合中选择波束正交基，即从O1O2组DFT波束正交基中选出一组，不同层和极化方向使用同一组正交基。一维天线选择的正交波束图样如图4（a）所示，二维天线选择的正交波束圖样如图4（b）所示。

（2）选择宽带波束组

从选出的波束正交基中选择宽带波束组用于生成块对角矩阵B=[b0…bL-1]， L∈{2， 3， 4}，不同层和极化方向使用同一组宽带波束。

（3）宽带系数幅度量化

每层独立进行宽带系数幅度量化求量化系数PWB，假设宽带信道特征向量为VWB，宽带波束组合系数矩阵为，，即求最佳解，使得VWB=W1 *。由于W1是正交基，满足酉矩阵性质inv（W1）=W1H，因此=inv（W1）*W1*=W1H*VWB。对按照最强波束系数做幅度归一量化即可得到宽带幅度量化系数PWB=diag（[p0WB…pWB2L-1]）。量化采用3比特量化，取值范围为，其中最强波束宽带幅度系数为1。

（4）子带系数幅度和相位量化

同宽带幅度量化方法一样，用子带信道特征向量VSB和W1计算得到子带波束组合系数矩阵，按照宽带最强波束做幅度归一量化和相位差量化，得到子带幅度量化系数PSB=diag（[p0SB…pSB 2L-1]）和子带相位量化系数C=[c0， …，c2L-1]T。子带系数幅度量化为可选项，如果选择量化，采用1比特量化，取值范围为。相位量化采用2NP-PSK量化，NP∈{2， 3}，其中最强波束子带幅度系数为1，相位系数为1。

2.4  端口选择码本

端口选择码本用于赋形CSI-RS传输方案，主要用于混合反馈方式[6]。每个CSI-RS端口采用不同的波束进行赋形，所用的波束可以通过Type I或Type II码本反馈或者基于信道互易性获得。用户设备从赋形CSI-RS估计出赋形后的每个数据流的等效信道，每个数据流对应一个赋形波束。端口选择码本通过W1实现端口/波束选择，选择波束个数可配置为L∈{2， 3， 4}，对于选择的L个端口采用Type II单天线阵面码本相同的幅度和相位系数计算方法生成W2对L个波束进行线性合并。

3   Type II增强码本标准化进展

由于Type II高精度码本反馈开销太大，所以R15版本Type II仅支持Rank=1或2的情况。标准定义多用户MIMO Rank最大支持12层，如果使用R15版本Type II码本至少需要配对6个用户才能充分利用MIMO信道容量。而实际业务大多符合FTP业务模型，基站很难同时配对到这么多用户将性能增益最大化[7]。因此，R16阶段从两方面考虑增强Type II码本能力，一方面进一步压缩反馈开销，另一方面扩展Type II码本支持Rank 3或4。

3.1  Type II频域压缩

R15码本设计期间，不同子带信道之间存在确定的相关性，即子带系数组成的空频系数矩阵每一行在频域上都存在一些相关性。因此，R16中对空频矩阵进行频域压缩来进一步降低反馈开销，备选方案包括：基于DFT/DCT基向量线性组合方案、频域参数化方案、空频矩阵SVD分解压缩方案等。经过标准化讨论目前已确定基于DFT向量的频域压缩方案[8]，其基本原理与空域压缩类似，基本过程如下：

（1）频域DFT向量集合

频域正交基由N3个长度为N3的DFT向量组成，N3=NSB*R， R∈{1， 2}。当NSB*R>13时，是否需要进行分段压缩目前还在讨论中。乘以旋转因子R（q3）进行O3倍过采样得到频域DFT向量集合，其中：