多天线技术标准化关键技术研究

张 影,孟萨出拉,赵豫京,谷 毅,王雅丽,朱思成,张 慧

(1.南京南瑞信息通信科技有限公司， 南京 211106； 2.中国电力科学研究院有限公司 信息通信研究所， 北京 100192； 3.国网河南省电力公司信息通信公司， 郑州 450052； 4.国家电网有限公司， 北京 100031)

1 引言

多天线技术在提升传输速率、提升传输可靠性、改善系统频谱效率及抑制干扰方面起到了十分重要的作用，因而广泛用于无线接入系统中。从通信原理角度看，多天线传输方案分为空间分集、空分复用与波束赋形三大类。其中，空间分集利用并行通道传输相同或具有一定冗余度的数据，以提升传输的可靠性，达到抗衰落的目的。空分复用利用多根天线构成的并行信道传输不同的数据流，从而直接提升数据传输速率。波束赋形根据发射机获取的信道状态信息，对发射信号进行预处理，将信号能量聚集到接收机所在的特定方向，从而直接提高接收信号的信噪比。目前，分析上述3种多天线方案的文献较多，理论方面比较成熟，但在实际应用中，还无法将一些理论成果用于实践。原因是，对目前多天线标准化过程中涉及的关键技术的理解不够深刻，无法建立关键技术与理论成果之间的映射关系。鉴于此，本文深入分析4G-LTE、IoT-G230 MHz、5G-NR中的多天线标准化关键技术，建立其与多天线三大传输方案之间的关系，并通过仿真验证这些方案的性能。

2 4G-LTE多天线技术

多天线(multi-input multi-output,MIMO)的前身是第三代移动通信系统应用的智能天线。它采用发送相同数据的多阵元天线，形成指向某些用户的波束，从而有效提高天线增益，降低用户间干扰。因此，智能天线实质上利用了MIMO技术的空间分集，但它没有实现空分复用。

在3G向4G-LTE系统演进过程中，引入了MIMO技术，它与正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing,OFDM)相结合，在4G-LTE系统中起到了巨大作用。4G-LTE系统的第一个版本，就对包括发射分集、空分复用、多用户MIMO及波束赋形技术在内的几乎所用多天线技术进行了标准化。并且，在4G-LTE系统后续演进中，对多天线技术的完善与增强始终是其最重要的发展路线之一。

3GPP LTE技术规范R8版本定义的多天线技术，下行最多支持4天线4层发射，上行支持单天线发射；R9版本中下行引入了双流波束赋形技术；R10版本对多天线技术进行了进一步增强，下行最多支持8天线8层发射，上行最多支持4天线4层发射，峰值频谱效率可以提高至30 bits/s/Hz，上行15 bits/s/Hz。

4G-LTE最终版本中共定义了九种下行链路多天线传输模式(transmission mode,TM)，各模式功能描述如下所示。TM1为单天线传输模式，主要用于室内分布系统，或其他模式出现故障时。TM2为发射分集，适用于小区边缘干扰较大或高速移动场景，提供分集增益，提高可靠性。TM3为开环空分复用，终端不需要反馈预编码矩阵指示(precoding matrix indicator,PMI)，适用于高速移动场景。TM4为闭环空分复用，终端需要反馈PMI和rank(信道矩阵的秩)，适用于信道条件比较好的场景，用于提高数据传输速率。TM5为多用户MIMO，即空分多址，用于提升小区容量。TM6为频分双工(frequency division dual,FDD)模式下的单层闭环波束赋形，用于提升信号覆盖范围。TM7为时分双工(time division dual,TDD)模式下的单流闭环波束赋形，用于提升信号覆盖范围。TM8为TDD模式下的双流闭环波束赋形，是TM7的演进，在波束赋形的同时，基站同时发送两路数据流，实现空分复用。TM9为R10版本新增模式，最多可以支持8层传输，用于提升传输速率。

TM7、TM8、TM9一般采用TDD模式，收发两端都基于8通道天线，无法在两通道终端设备上实施。考虑单用户与基站通信，根据LTE R10标准，在传输1 000个OFDM帧的情况下，对TM7、TM8、TM9吞吐量进行了仿真测试，结果如图1所示。其中，TM7为单流单层，4×8天线配置；TM8为双流双层，4×8天线配置；TM9为双流4层，8×8天线配置。由图可知，上述3种模式的单用户信道容量依次递增，与多天线空分复用理论相符。

图1 4G-LTE下行链路多天线TM7/8/9吞吐量曲线Fig.1 4G-LTE Downlink multi antenna throughput comparison among TM7/8/9

3 IoT-G230MHz多天线技术

国家电网IoT-G230MHz技术规范规定：基站应支持发射天线数量为1或2，并支持接收天线端口数为1或2。物理层下行链路共享信道(physical downlink shared channel,PDSCH)多天线技术实现过程如图2所示。

图2 IoT-G230MHz多天线技术实现过程框图Fig.2 IoT-G230MHz implementation process of multi antenna technology

(1)

表1 下行共享信道调制方式Table 1 Downlink shared channel modulation

表2 发射分集层映射规则Table 2 Transmit diversity layer mapping rules

(2)

最后，根据OFDM资源映射规则，产生各个天线端口的OFDM符号。

上述过程采用了空频分组码(space frequency block code,SFBC)。对规范中的发射分集方案进行了仿真验证，得到图3所示误比特率曲线。分析曲线可知，采用发射分集技术后，接收端误比特率明显下降，链路可靠性得到提升。仿真结果与多天线发射分集理论相符。

图3 单天线发射与多天线发射分集误比特率曲线Fig.3 Comparison of bit error rate between single antenna transmission and multi antenna transmission diversity

在浙江省海宁市对采用双天线基站的IoT230系统进行实地测试，信号的覆盖站点位置如图4所示，网络性能如表3所示。

图4 IoT-G230MHz专网网络覆盖站点位置图Fig.4 Location map of private network coverage sites

表3 IoT-G230MHz网络性能测试Table 3 Performance test of IoT-G230MHz private network

4 5G-NR多天线技术

3GPP NR的R15版本定义了2个频率范围，FR1和FR2。前者为低频频段，在450 MHz～6 GHz之间，称为sub 6G频段；后者为高频段，在24.25～52.6 GHz之间，称为毫米波频段。由于频段特性不同，5G新空口(5G-NR，5G-New Radio)分别为2个频段定义了多天线标准。

4.1 sub 6G频段多天线技术

此频段为当前移动通信系统的主流频段，频谱拥挤，急需提高频谱效率。5G-NR采用的多天线技术是对4G-LTE多天线技术的改进和发展，主要体现在：引入了灵活、可扩展、模块化的信道状态信息(channel state information,CSI)框架，它包括一种分辨率较高的CSI报告类型，目标是提高多用户MIMO频谱效率。

对于下行多天线传输，为了支持不同的CSI要求，5G-NR定义了2种不同的CSI报告类型，分别称为类型Ⅰ和类型Ⅱ。类型Ⅰ针对中等分辨率的单用户MIMO传输，类型Ⅱ具有更高的CSI分辨率，目标在于支持更高频谱效率的多用户MIMO传输。

4.2 毫米波大规模天线技术

在维持相同天线数量条件下，更高频段意味着所需天线阵列尺寸越小。频段的升高对设备的小型化、部署的便利化，天线规模的进一步扩大都是有利的。虽然毫米波的使用带来了更广阔的带宽，但是毫米波频段信号传播特性与Sub 6G频段存在明显差异。毫米波频段的信号传播会受到很多非理想因素的影响，例如路径损耗、雨衰、物体遮挡造成的阴影衰落等。实测结果也表明，上述不利因素往往会随着频率的提高而不断加重。因此，提升毫米波频段设备的接收信噪比，提高毫米波信号覆盖范围，成为当务之急。

为了克服以上难题，5G-NR系统引入波束赋形技术。它是一种基于天线阵列的信号预处理技术，通过在数字或模拟域调整基带或射频信号的加权系数，产生具有可控指向的高增益波束，达到提高系统频谱效率、扩大信号覆盖范围、抑制干扰等目的。

波束赋形技术分为数字、模拟、模数混合三大类。数字波束赋形在基带进行，每根天线对应一条独立的射频链路，可对数字调制符号的幅度及相位进行调整，一般用于天线数量较少的传统低频系统。模拟波束赋形在射频进行，只需一条射频链路，只能对模拟信号的相位进行调整。模数混合波束赋形则将两者结合，在系统性能和复杂度之间进行折中。

考虑单用户与基站的下行链路通信，基站采用64根天线，假设发射端有8条独立的射频链路，且已知完美的信道状态信息。通过文献[30]中提出的正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit,OMP)混合波束赋形算法，对不同数量数据流情况下的数字波束赋形与模数混合波束赋形频谱效率进行了仿真对比。根据图5的仿真结果可知，混合波束赋形系统性能相对较差，但其所需射频链路数量仅为8，远远小于64。因此，混合波束赋形技术在大规模天线系统的性能和复杂度之间实现了折中。出于成本和复杂度的考虑，模数混合波束赋形甚至是单纯的模拟波束赋形将是5G-NR系统波束赋形技术的实现方式。

图5 全数字波束赋形技术与模数混合波束赋形性能曲线Fig.5 Performance comparison between all digital beamforming and hybrid beamforming

4.3 毫米波无线信道建模

大带宽是5G 增强型移动带宽场景的最大特点，毫米波频段的最大传输带宽预计将达到1 GHz。同时，波长短、衰落大、多径数量少、大规模天线波束赋形技术的应用都会影响毫米波频段无线信号传输特点。因此，毫米波无线信道建模对于5G-NR系统性能评估与提升是具有重要意义的。

在3GPP NR标准信道模型中，根据大规模天线的部署场景抽象出了信道模型的4个典型场景：Umi场景、Uma场景、Indoor Office场景和RMa场景。其中，Umi场景定义为城区微小区场景，室内外用户均为高密度，且基站低于周围建筑物高度；Uma场景定义为城区宏小区场景，室内外的用户密度均为高密度，且基站高于周围建筑物高度；Indoor Office场景定义为室内热点覆盖场景，根据建筑物特征和覆盖面积，可以将其分为Open Office和Mixed Office两类，两者主要差别在于LoS概率不同；RMa场景定义为大范围连续覆盖场景，通过连续广义覆盖支持高速移动以及郊区和农村等广袤地区。

3GPP NR系统采用了基于几何的统计信道模型，将一定数量的不易通过实验分辨且参数详尽的若干多径定义为一个簇，把簇作为统计信道状态信息的基本单位。簇内每条多径的传输参数在簇的统计参数基础上，加上具有一定规律的扰动产生。最终将每个簇中每条多径对应的响应叠加，得到无线信道的时域冲击响应。

无线信道模型包括大尺度信道模型和小尺度信道模型两部分。大尺度信道模型对于预测距发射端一定距离的接收端场强变化具有重要参考作用，其一般表现为LoS路径概率、路径损耗、穿透损耗和阴影衰落等。小尺度信道模型对无线信道的小尺度衰落进行建模。小尺度衰落是指无线电信号在短时间或短距离传播后其幅度、相位或多径时延的快速变化。这种变化是由同一传输信号沿不同路径，以不同时刻(或相位)到达接收机的多径信号叠加引起的。小尺度信道模型主要考虑由不同多径时延、多普勒频移及发射/到达角导致的频率色散参数、时间色散参数、空间色散参数。

3GPP NR标准信道模型的信道系数生成基本过程如图6所示。其中，大尺度信道模型包括设置传播环境(NLoS/LoS)，计算路径损耗和阴影衰落等过程。小尺度信道建模包括多径分量统计参数计算，根据统计参数计算每条路径时延、功率、发射/到达角等过程。

图6 3GPP NR标准信道模型信道系数生成基本过程框图Fig.6 Basic process of channel coefficient generation of standard channel model

以上建模过程涵盖了所有5G-NR通信场景，适用于5G-NR无线传输信道仿真，可用于无线接入技术的评估预测。但是，该建模过程复杂度较高，不易于快速实现与仿真。为了降低建模复杂度，标准模型通过固定或省略了某些参数，给出了用于快速进行链路级仿真的簇延迟线(clusetered delay line,CDL)模型和抽头延迟线(tap delay line,TDL)模型。其中，CDL模型共有CDL-A/B/C/D/E五种不同的参数配置，CDL-A/B/C针对NLoS传播环境，CDL-D/E则针对LoS传播环境；TDL模型共有TDL-A/B/C/D/E五种不同的参数配置，TDL-A/B/C针对NLoS传播环境，TDL-D/E则针对LoS传播环境。需要注意的是，CDL模型支持多天线配置，而TDL模型不支持。

5 结论

本文以无线蜂窝网络中的多天线技术的标准化作为研究对象，根据多天线的空间复用、空间分集、波束赋形3种基本原理，对3种网络中的多天线关键技术进行归纳，并通过仿真分析这些技术的作用。

1) 整理4G-LTE包含的9种多天线传输模式TM1-TM9，以下行链路作为通信场景，对TM7/8/9三种模式的吞吐量进行仿真，体现3种模式的特征。

2) 考虑到IoT-G230MHz网络属于国家电力系统的专网，通过仿真分析其空间分集性能，搭建专用网络，对IoT-G230MHz系统性能进行测试。验证了多天线技术的有效性。

3) 5G-NR包含Sub 6G和毫米波2个频段的多天线技术，后者的核心内容是无线信道建模、全数字波束赋形和混合波束赋形，仿真结果表明混合波束赋形很好地实现了性能-复杂度协调。