MIMO 技术3GPP 标准演进*

张会丽

（重庆信息通信研究院,重庆 401336）

0 引言

多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术指在发射端和接收端分别使用多个发射天线和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送和接收，从而改善通信质量。MIMO包含多个层面的关键技术分支，比如分集技术、空间复用技术、预编码技术、波束管理技术、多用户MIMO 技术，通过采用不同技术可提升通信容量，提高频谱利用率。作为LTE/5G 网络的关键技术，MIMO 的标准演进路线一直备受关注。

1 R11[1-3] MIMO

历经三个版本R8－R10 的演进，LTE 中的MIMO 技术日渐完善，其SU 与MU-MIMO 方案都已经得到了较为充分的优化，MIMO 方案研究与标准化过程中制定的导频、测量与反馈机制也已经为CoMP 等技术的引入提供了良好的基础。

LTE-A R11[1-3]将下行MIMO 增强的目标锁定在CSI 反馈增强、控制信道增强以及COMP 三方面进行规范定义。

1.1 新增传输模式TM10 和新增下行控制信令DCI 2D[2]

为支持多小区协作通信技术，改善小区边缘用户的通信质量，提升系统的吞吐量，LTE-A R11新增一种传输模式TM10。LTE-A R11 设计了专用于TM 10 传输模式的控制信道格式DCI 2D，携带了资源分配、PUCCH 功率控制、调制编码方式、PDSCH 资源位置、HARQ 进程数、SRS 请求等消息。

1.2 控制信道增强（引入ePDCCH）[3]

为了充分利用多天线技术带来的频谱效率提升效果，并且保证良好的覆盖性能，LTE-A R11 版本中引入了增强的下行控制信道设计。增强下行控制信号ePDCCH 在原始数据信道的位置发送，与数据信道频分复用，以获得波束赋形和分集增益。而且更细的颗粒度、更灵活的资源划分，也更易于实现小区间控制信道的干扰协调。

1.3 COMP

R11 在R10 的基础上引入CoMP 技术，通过同小区不同扇区间协调调度或多个扇区协同传输提高系统吞吐量，特别是小区边缘用户的吞吐量。LTE-A R11 中主要聚焦下行CoMP 技术。

CoMP 技术是对传统单基站MIMO 的补充和扩展，标准中规范定义了3 种实现方式：“协调调度/波束赋形”和“动态传输点选择”方式是用于同一个基站下不同扇区间的CoMP 操作的。这两种方式在同一时刻只有一个接入点与用户进行通信，其中协调调度是指系统侧根据干扰等信息在多个接入点间实现联合调度；而动态传输点选择是系统在不同时刻为终端选择不同的传输点发送数据。LTE-A R11 中支持下行协调调度/波束赋形和动态传输点选择。“联合传输”方式则是单个用户数据通过多个协作基站并行传输，基站间通过共享数据及信道回馈信息、调度信息等，联合为目标用户提供服务。由于FDD 系统中联合传输所需的信令设计复杂，LTE-A FDD 系统不支持联合传输技术，而TD-LTE/TD-LTE-A系统可利用信道互易性实现联合传输技术。

2 R12[4-6] MIMO

R12 进一步优化了多天线技术，包括下行4 天线传输技术增强，小区间多点协作技术增强，并研究了二维多天线的传播信道模型，为后续垂直波束赋形和全维MIMO 传输技术研究做了准备。

2.1 CoMP 增强

R12 支持不同基站间的协调调度/波束赋形，在基站间非理想回传链路上传输有限的调度信息、资源分配信息和回传链路时延等信息，实现基站间的多点协作传输。

2.2 垂直波束赋形（FD-MIMO）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，3GPP 从R12 阶段开始针对3D 信道与场景模型问题进行研究。早在LTE-A R11 版本中，对有源天线形态下的3D 波束赋形技术已经进行了初步讨论，并在R11 的RAN4 工作组中开展了基于有源天线的基站RF 的EMC 研究项目。3D 波束赋形通过终端专用的天线下倾聚焦可有效地提升接收信号的信噪比，旨在减少小区内和小区间的干扰。但在LTE-A R11 标准中并未进行规范定义，而是在LTE-A R12 中进行初步规范和定义。利用有源天线，基站天线波束的下倾角可以自适应调整，在水平维波束赋形的基础上，垂直维也可以形成波束赋形，成为垂直波束赋形/FD-MIMO。该技术有利于在密集的城市环境中实现对不同楼层的室内覆盖，更好地实现小区内和小区间干扰协调，以支持高阶的多用户MIMO。

R12 对3D-MIMO 的信道建模进行了研究，形成了完整的3D-MIMO 信道模型。R13 主要研究小于64 端口的FD-MIMO 传输技术。

3 R13[7-9] MIMO

3GPP R13 开始引入FD-MIMO 的标准化研究，并引入CSI-RS 增强、SRS 容量等新功能。R13 研究中将FD-MIMO 的反馈增强分为3 类：基于非预编码的CSI-RS 方法、基于波束赋形的CSI-RS 方法、基于非预编码的CSI-RS 和波束赋形的CSI-RS 相混合的方法。下行支持16 发射天线端口与8 接收天线端口，支持水平方向和垂直方向的波束赋形；上行支持4 发射天线端口和4 接收天线端口，且上下行均支持MU-MIMO。

4 R14[10-12] MIMO

R13 中FD-MIMO 存在天线端口数量较少、CSI 反馈机制受限等缺陷，进而3GPP Rel-14 提出eFD-MIMO，其下行支持32 发射天线端口，并引入CSI 报告增强机制，允许UE 支持非码本CSI-RS、波束赋型CSI-RS 反馈和波束赋型CSI-RS 的混合使用。

5 R15[13-18] MIMO

大规模多天线技术进入标准化高速发展阶段，面临诸多更加严苛的技术指标需求，大规模多天线技术被认为是未来蜂窝移动通信系统中非常重要的一项关键技术。R15 版本中大规模MIMO 下行最大支持16 流，上行支持8 流，相比传统2 流系统提升频率效率近8 倍。大规模MIMO 天线产品支持192 阵子排列，最大64 通道。R15 版本主要从以下几方面进行增强设计。

5.1 CSI 反馈设计

MU-MIMO 系统的性能依赖于CSI 的获取精度以及预编码与调度算法的优化程度，因此CSI 的获取是大规模多天线系统设计的关键问题。R8～R14中定义了多种反馈模式以支持不同MIMO 传输方案的CSI 反馈，这种设计导致了传输方案以及CSI 反馈的分散和复杂化。为避免引入多种反馈模式和子模式，R15 设计了统一的CSI 反馈架构，即通过将CSI 测量和CSI 反馈方式进行解耦，将测量资源和测量操作与具体上报操作分离，以更加灵活的方式支持不同的MIMO 传输方案在多种场景和多种频段的应用。NR R15 系统定义了两种类型的CSI 反馈方式，即常规精度和高精度方式。其中常规精度主要针对SU-MIMO 或MU-MIMO，而高精度方式主要针对MU-MIMO 传输的增强。R15 的高精度码本采用线性合并方式构建预编码矩阵，能够显著提升CSI 精度，进而极大改善MU-MIMO 的传输性能。

5.2 灵活的系统设计

（1）灵活可配置的CSI-RS 导频设计：R15 对已有的CSI-RS 功能进一步进行扩展，除支持CSI测量外，还支持波束测量、无限资源管理/无线链路监视测量、时频跟踪等。

（2）引入PT-RS 参考信号：毫米波频段的相位噪声会对数据解调产生严重的影响，因此R15系统中专门设计了相位噪声跟踪参考信号（Phase Tracking Reference Signal，PT-RS），用于估计相邻PFDM 符号之间相位噪声引起的相位变化。

（3）前置DM-RS 设计：为了降低解码实验，R15 DM-RS 被放置在尽量靠前的位置，即放在一个时隙的第3 或第4 个PFDM 符号上，或者放置在所调度的PDSCH/PUSCH 数据区域的第一个OFDM 符号上。在此基础上，为支持各种不同的移动速率，可以再配置1 个、2 个或3 个附加的DM-RS 符号。下行采用了趋于一致的设计。

5.3 R15 引入波束管理

作为LTE 和5G 系统关键技术的MIMO 传输技术，可利用有源天线阵列技术形成大规模多天线阵列，提升系统传输性能。在R14 之前的版本被称为FD-MIMO 的大规模多天线技术主要应用于3GHz 以下的低频段传输，采用全数字波束赋形技术，即每个天线端口的射频链路都连接着独立的基带数字链路，最大可支持32 天线端口的波束赋形。

随着低频段频谱资源变得稀缺，毫米波频段能够提供更大带宽，成为5G 系统应用的重要频段。采用大规模的毫米波天线阵列，形成增益更大的赋形波束，克服传播损耗，确保系统覆盖。毫米波天线阵列尺寸有限，综合考虑硬件复杂度、成本开销以及功耗等因素，通常采用模拟波束与数字端口相结合的混合波束赋形。混合波束赋形结构在数字波束赋形灵活性和模拟波束赋形的低复杂度间做了平衡，具有支撑多个数据流和多个UE同时赋形的能力。通过模拟波束赋形技术开展链路传输时，为了能够获得最佳的传输性能，通常需要采用发送/接收波束扫描的测量方式来搜索最佳的发送和接收波束对。

由于模拟波束在同一时间内只能发送有限个赋形波束（波束数量取决于数字端口的数量，一个数字端口对应一个波束），并且波束宽度较窄，通常只能覆盖小区的一部分区域。为了实现整个小区的信号覆盖，需要采用时域内多个波束联合扫描的传输方式，即在一个时间段内通过轮询的方式，每个波束依次接力覆盖小区不同区域来实现小区的完整覆盖。对于基站与UE 间的单播传输，当基站与UE间的发送和接收波束对齐的时候，可以获得最大的链路增益。让基站与UE 的收发波束对齐的过程，在R15 标准中被称为波束管理过程。

波束管理过程分为6 个方面的处理过程：波束扫描、波束选择、波束测量、波束上报、波束切换、波束指示、波束恢复。波束扫描是通过扫描一个角度扇区内的模拟波束来覆盖扇区。波束选择是指在单播的控制或数据传输过程中，基站和UE 需要选择合适的波束方向，以确保最佳的链路传输质量。波束测量是指当无线链路建立以后，UE 和基站对多个收发波束进行测量的过程。波束上报是指UE将波束测量结果上报给基站的过程。波束切换是指当UE 位置移动、方向变化以及传播路线受到遮挡，配对的收发波束对的传输质量下降时，基站和UE可以选择另外一对质量更好的收发波束对，并进行波束切换操作。基站利用波束指示流程，通过下行控制信令将所发送的波束指示通知UE，便于UE 的接收与切换。波束恢复则是指所采用的收发波束对无法继续保证传输质量要求，所监测的所有收发波束传输质量无法满足链路传输要求的情况下，重新建立基站与UE 间的连接的过程。

6 结语

本文介绍了从R11 版本至R15 版本的MIMO的技术标准演进路线，并从参考信号设计、MIMO反馈模式、MIMO 传输模式等方面进行了详细阐述。面向5G NR（New Radio）系统，大规模MIMO 将采用相对于LTE 而言更多的天线数量和更窄的波束，如何充分挖掘大规模MIMO 的潜在技术优势，是5G 大规模MIMO 的重要研究方向，其主要研究内容大致包括：应用场景与信道建模、信道状态信息测量与反馈、参考信号设计、波束管理等。