第1章
多天线及波束赋形技术发展概述
1.6 大规模天线技术的研究方向
| 1.7 大规模天线技术的应用场景 |
基于大规模有源阵列天线的波束赋形技术为大幅度提升下一代移动通信 接入网性能提供了重要的技术手段。然而，大规模天线技术在频谱效率与系 统容量方面的巨大优势只有在适用的应用场景中才能得以体现。只有将大规 模天线的技术方案设计与应用场景的具体特征有机地融合在一起，才能有针 对性地优化大容量 MIMO 技术与标准化方案。随着网络构架与组网方式的变 革，任何一种新型无线接入技术的设计与标准化都需要建立在准确且有预见 性的应用场景模型基础之上。准确地建模大容量 MIMO 的应用场景，对于具 体技术方案的性能评估、对比、分析，天线形态的选择与标准化方案的制定 都具有十分重要的指导意义。同时应用场景的研究与建模也将对大规模天线 技术在未来实际网络中的部署与网络规划方案设计提供宝贵的借鉴。 目前可以预见的是，大规模天线的应用场景主要包括室外宏覆盖、高层 建筑覆盖、热点覆盖与无线回传等。关于大规模天线技术应用场景的具体描 述可以参考本书第 3 章。
1.8 多天线技术的标准化状况
MIMO 技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、 增加系统容量、提升系统吞吐量有着重要作用。鉴于此，在以 LTE 为代表的 4G（the 4th Generation）系统中，广泛采用了 MIMO 技术。面对速率与频谱效 率需求的不断提升，对 MIMO 技术的增强与优化始终是 LTE 系统演进的一个 重要方向[13]。
LTE Rel-8 基于发射分集、闭环/开环空间复用、波束赋形与多用户 MIMO 等 MIMO 技术定义了多种下行传输模式以及相应的反馈机制与控制信令，基本 涵盖了 LTE 系统的典型应用场景。LTE Rel-8 中的下行 MIMO 技术主要是针对 单用户传输进行优化的，其 MU-MIMO 方案在预编码方式、预编码频域颗粒度、 CSI 反馈精度及控制信令设计方面存在的缺陷在很大程度上限制了 MU-MIMO 传输与调度的灵活性，不能充分发挥 MU-MIMO 技术的优势。另外，LTE Rel-8中还采用了单流波束赋型技术，用以提升接收信噪比以及改善传输速率和覆盖。
针对该问题，LTE Rel-9 中引入的双流波束赋形技术从参考符号设计及传 输与反馈机制角度对MU-MIMO传输的灵活性及MU-MIMO功能进行了如下改 进：采用了基于专用导频的传输方式，可以支持灵活的预编码/波束赋形技术； 采用了统一的 SU/MU-MIMO 传输模式，可以支持 SU/MU-MIMO 的动态切换； 采用了高阶 MU-MIMO 技术，能够支持 2 个 Rank 2 UE 或 4 个 Rank 1 UE 共同 传输；支持基于码本与基于信道互易性的反馈方式，更好地体现了对 TDD 的 优化。
LTE Rel-10 的下行 MIMO 技术沿着双流波束赋形方案的设计思路扩展：通 过引入 8 端口导频以及多颗粒度双级码本结构，提高了 CSI 测量与反馈精度； 通过导频的测量与解调功能的分离，有效地控制了导频开销；通过灵活的导频 配置机制，为多小区联合处理等技术的应用创造了条件；基于新定义的导频端 口以及码本，能够支持多 8 层的 SU-MIMO 传输。Rel-10 的上行链路中也开 始引入空间复用技术，能够支持多 4 层的 SU-MIMO。
经历 3 个版本的演进，LTE 中 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引入 CoMP 等技术提供了良好的基础。在缺乏新 的技术推动力与场景需求的情况下，LTE Rel-11 中，单小区 MIMO 技术没有得 到进一步的发展。但是在 Rel-11 中，LTE 将单小区的 MIMO 技术扩展到了多 小区、协作化的 MIMO，引入了 CoMP（Coordinated Multiple Points）技术。
Rel-12 中延续双级码本结构改造了 4 天线码本，同时还增加了一种支持频 率选择性 CQI 和 PMI 的反馈模式。此外，3GPP 基于实测数据制定了 3D 信道 模型。
Rel-13 及后续版本中，MIMO 技术逐渐向着三维化和大规模化天线波束赋 形方向发展。直至目前，3GPP 讨论的 5G 系统中，始终都把多天线技术作为一 项核心技术进行研究。
在已经完成的 3GPP Rel-13 版本中，3GPP 已经定义了能够支持多 16 个 端口的 FD-MIMO（Full-Dimension MIMO）方案。Rel-14 中则进一步将 eFD-MIMO（enhanced FD-MIMO）的端口数提升至 32 个，并将支持非周期 CSI-RS （ Channel State Information-Reference Signal ）、上行 DM-RS （DeModulation-Reference Signal）增强等新技术方案。上述 FD/eFD-MIMO 技术 可以被认为是大规模天线波束赋形技术进入标准化的初级阶段。
在 5G 系统的第一个版本（Rel-15）中，3GPP 对包含数模混合赋形在内的 大规模天线波束赋形技术进行了标准化。除了扩大天线数量规模之外，5G 新空口（NR）系统从帧结构、导频优化、反馈机制、波束管理、波束扫描、灵活参 数集合设计等方面持续扩展大规模天线技术方案的功能以有效提升频谱效率和 系统容量。在 Rel-16 及后续版本中，大规模天线波束赋形技术仍是标准化过程 的一大热点。
1.9 小 结
大规模天线波束赋形技术为系统频谱效率、用户体验、传输可靠性提供了 重要技术手段，同时也为异构化、密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控 制与协调手段。目前，大规模天线波束赋形理论研究为 MIMO 技术的进一步发 展提供了有力支持，数据通信业务飞速发展则为推动 MIMO 技术的继续演进提 供了强大的内在需求，而相关实现技术的日渐成熟则为大规模天线技术的标准 化、产业化提供了必要的条件。随着一系列关键技术的突破以及器件、天线等 技术的进步，设备发射功率、功放效率、设备体积重量等指标将持续提升以满 足大规模商用的需求。在上述基础之上，大规模天线技术必将在 5G 系统中发 挥重大作用。
本书后续章节的安排如下：第 2 章对大规模天线波束赋形系统的基本原理 和技术理论进行介绍，对其信道容量和谱效、能效问题进行了分析与讨论；第 3 章对大规模天线波束赋形系统的应用场景与信道建模问题进行了介绍；第 4 章中讨论了大规模天线波束赋形系统的导频设计与信道估计、传输与检测技术、 CSI 的获取、大规模天线校准以及基于大规模天线系统的协作等关键技术；第 5 章结合大规模天线波束赋形技术的标准化进展，讨论了大规模天线波束赋形 系统的传输方案、物理信道、参考信号、信道状态信息反馈等关键的技术设计 方案，并对相关技术的标准化情况进行了介绍；第 6 章中将对大规模天线波束 赋形技术的原型平台以及相应的实验验证与方案测试情况进行介绍。