第1章

多天线及波束赋形技术发展概述

1.5 天线阵列结构对MIMO 技术发展的影响

| 1.6 大规模天线技术的研究方向 |

尽管学术界已经对大规模天线波束赋形技术开展了较为广泛深入的研究， 在从理论研究转向标准化、实用化的重要转折时期，仍然需要进一步深入研究若干关键技术问题。
1．信道建模
多天线技术方案的性能增益与应用场景和部署环境有非常密切的关系，因 此有必要结合下一代移动通信系统的部署场景与业务需求，有针对性地研究大 规模多天线技术的适用场景，并对其典型的应用场景及信道特性进行信道参数 的测量与建模。此工作将为 Massive MIMO 的天线选型、技术方案设计与标准 方案制定提供方向性的指引，同时针对典型应用场景基于实测的信道参数建模 也将为准确地构建技术方案评估体系，并准确地预测技术方案在实际应用环境 中的性能表现提供了重要依据。
MIMO 系统的性能非常依赖于系统采用的天线阵列的形式以及传播环境 的特性，对于大规模天线技术也是如此。在大规模天线无线通信环境下，特别 是基站侧配置大规模阵列天线的情况下，大规模天线信道的空间分辨率显著增 强，信道是否存在新的特性，需要进一步探讨。在理想模型中，天线间不存在 相关性和互耦，额外增加天线单元，将显著增加系统的自由度。而实际系统中， 空间信道的特性很难如此理想，阵列中的阵子通常间距较小，传播环境中可能 也缺乏足够多的散射体，上述因素都将影响大规模天线系统的空间自由度。
针对上述问题，3GPP Rel-12 中首先完成了针对 6GHz 以下频段的 3D 化的 信道及应用场景建模工作。基于上述框架及高频段信道的实测结果，Rel-14 中 对 6～100GHz 频段的信道和应用场景进行了建模。结合 IMT-2020 系统性能评 估需求，ITU 也对相关模型进行了进一步扩展和完善。
2．大规模天线传输机制与信号处理关键技术
随着天线数量规模的增大、用户数量的增加与带宽的提升，在 MIMO 的传 输、检测、调度等过程中，经常需要对大量高维度的矩阵进行运算，其系统复 杂度显著升高。该问题在高频段系统中显得尤为突出。此外，在系统设计方面， 如参考信号、反馈机制、控制信令、广播/公共信号覆盖、接入与切换等，都需 要考虑天线数量规模增大所带来的开销、复杂度与性能的平衡难题，主要涉及 4 个方面，包括波束赋形技术、信道测量与反馈技术、覆盖增强技术以及高速 移动解决方案、多用户调度与资源管理技术。
在波束赋形技术方面，Massive MIMO 的性能增益主要是通过大规模阵列 构成的多用户信道间的准正交特性保证的。然而，在实际的信道条件中，由于 设备与传播环境中的诸多非理想因素的存在，为了获得稳定的多用户传输增益， 仍然需要依赖下行发送与上行接收算法的设计来有效抑制用户间乃至小区间的 同道干扰。而传输与检测算法的计算复杂度则直接与天线阵列数量规模和用户 数相关。此外，基于大规模阵列的预编码/波束赋形算法与阵列结构设计、设计成本、功率效率和系统性能都有直接的联系。因此针对 Massive MIMO 的传 输与检测方案的计算复杂度与系统性能的平衡将是该技术进入实用化的首要 问题。
在信道测量与反馈技术方面，由于信道状态信息测量、反馈及参考信号设 计技术对于实现 MIMO 技术十分关键，历来都是 MIMO 技术研究的核心内容， 针对此问题的研究、评估验证和标准化方案设计对于 Massive MIMO 技术实用 化发展都具有极其重要的价值。导频资源是大规模天线系统中一个重要且有限 的资源。多小区场景中，由于相干时间受限，小区间需要复用导频。导频复用 引起的导频污染是大规模天线系统中影响性能的瓶颈。因此需要研究探测信号 （Sounding）、参考信号的设计机制以及高效的参考信号资源分配机制。同时， 在导频污染的环境中，信道估计的准确性也显得非常重要。为了有效地对抗干 扰，需要研究更有效的信道与干扰估计方法以及网络侧辅助机制以保证系统性 能。此外，参考信号设计与信道状态信息反馈机制紧密相连，将直接影响到大 规模天线系统的效率与性能。信道状态信息反馈是无线接入系统中资源调度、 链路自适应以及MIMO等基本功能模块的重要基础。如前所述，对于MU-MIMO 而言，信道状态信息的准确性对于整个系统的频带利用效率有着至关重要的影 响。随着天线规模的增大，对于基于码本的反馈机制而言，反馈精度的提升与 开销之间的矛盾将更加突出。这种情况下，基于 TDD 制式特有的信道互易性 反馈机制在信道状态信息精度、下行测量参考信号开销以及反馈开销方面的优 势也日益明显。
在覆盖增强技术以及高速移动解决方案方面，天线规模的扩展对于业务信 道的覆盖将带来巨大的增益，但是对于需要对全小区内所有终端进行有效覆盖 的广播信道而言，则会带来诸多不利影响。除此之外，大规模天线还需要考虑 在高速移动场景下，如何提供信号可靠高速率传输的问题。在这种场景下，大 规模天线系统面临的大挑战是信道信息的剧烈时变性。此时，对信道状态信 息获取依赖度较低的波束跟踪和波束拓宽技术，可以有效利用大规模天线的阵 列增益提升数据传输可靠性和传输速率，值得我们进一步探索。
在多用户调度与资源管理技术方面，大规模天线为无线接入网络提供了更 精细的空间粒度以及更多的空间自由度，因此基于大规模天线的多用户调度技 术、业务负载均衡技术以及资源管理技术将获得可观的性能增益。
3．多天线协作传输
大规模天线波束赋形技术本身是针对单宏小区场景的非协作传输技术［至 少 2010 年贝尔实验室提出大规模天线（Massive MIMO）概念时是针对上述场 景的］。根据此概念，大规模天线所能带来的系统容量的提升来自大规模阵列对空间信道的白化，以及由此获得的多用户信道之间的近乎于正交的状态，而 非通过小区之间或传输点之间的协作获得。或者说应用了大规模阵列之后，理 想情况下不需要协作。但是如果小区之间存在某种协作机制，实际上有可能进 一步提升 Massive MIMO 的性能。例如，所谓的导频污染问题可以通过协作机 制尽可能地规避。此外，需要关注的另一个问题是所谓的手电筒效应。使用波 束赋形技术之后，用户接收到的邻区干扰可以用手电筒形成的光束来类比。随 着邻区调度情况的变化或者邻区被调度用户的移动，造成干扰的波束像手电筒 一般来回晃动或间歇性地打开/关闭。由此产生的干扰的波动将非常剧烈，这种 情况下，通过 CQI 上报很难准确地预估干扰的波动。如果没有协调或协作机制 的存在，这种难以预测且剧烈波动的干扰将会给 AMC（Adaptive Modulation and Coding）等链路自适应操作带来非常严重的影响（尤其是使用了大规模阵列之 后，阵列增益非常之高，影响将更为严重）。因此，实际应用中，协作对于广 域覆盖场景的集中式大规模天线系统也同样是需要的。大规模天线系统的协作 需要重点考虑集中式大规模天线协作、分布式大规模协作以及集中式与分布式 共存的异构场景。
4．天线阵列设计
阵列天线的构架研究、高效、高可靠、小型化、低成本、模块化收发组件 设计、高精度检测与校准方案设计等关键技术问题将直接影响到大规模天线技 术在实际应用环境中的性能与效能，并将成为直接关系到大规模天线技术是否 能够终进入实用化阶段的关键环节。
如前所述，现有的移动通信系统中，普遍采用了被动式天线结构，每个天 线端口都需要一根独立的射频线缆与之相连。当需要独立控制的天线端口数逐 渐增加时，大量的射频线缆将给工程实现与后续运营维护带来不可想象的困难。 除此之外，现有天线系统一般只能支持在水平维度为每个用户独立调整波束， 但是在垂直维度只能针对扇区覆盖需求统一设定波束形态。因此，基于这种阵 列的 MIMO 传输又被称为 2D-MIMO。
针对上述问题，可将射频（及部分基带功能）和传统的被动式天线阵列结 合在一起，构成有源天线技术。此时，可用光纤和直流电缆代替天线与其他设 备之间的大量射频线缆连接，从而极大地简化了施工和运维的难度。除此之外， 引入有源天线技术，为基带的集中化与云化处理创造了条件。更为重要的是， 二维平面阵列中，大量可控的天线端口的出现，为系统在三维空间中更为灵活 地调整波束创造了可能。
对于基于信道互易性的反馈方式而言，校准问题显得尤为重要。此外，在 大规模天线阵列中，部分通道或阵子可能会发生故障。因此大规模天线系统应当具有相应的检测与容错设计机制以保证 Massive MIMO 传输的可靠性。天线 阵列的校准、监测及容错方案设计可以借鉴有源相控阵雷达系统中的一些成熟技术。
天线阵列的模块化设计方案将十分有利于大规模天线系统的维护以及功 能扩展，因此高度模块化将成为大规模天线阵列发展的一个重要方向。随着阵 列规模的增加，需要进一步地研究天线系统与地面设备之间的功能划分与接口 定义。如果沿用目前的接口方式将主要的基带处理功能放置在天线系统之外， 则天线系统与负责基带处理的基站或网络中的集中式处理中心之间将存在巨大 的数据汇聚与交互负担，其数据量需求将远远超过现有的通用公共无线电接口 （CPRI，Common Public Radio Interface）等接口所能支持的范围。如果将包括 赋形向量计算等主要的基带处理功能都集成在天线系统之内，则上述接口的通 信负担将大大减轻。
Massive MIMO 前端系统从内部射频通道结构上可分为数字阵和数模混合 阵两大类。当天线数很大时，采用传统的全数字架构势必带来巨大的计算复杂 度、功耗以及成本的上升。尤其在高频段，混合的阵列架构将具有很大的应用 潜力。
5．高频段的大规模天线技术
随着移动通信技术的发展，系统面临更为严苛的需求，在进一步提升频谱 利用效率的基础上，扩展可用频谱也将成为系统发展的必然方向。目前，3GPP 已经考虑将系统频段扩展至 6～100GHz，在这样的频率范围中，还有大量连续 的空闲频段可以利用。信道资源的极大丰富并不意味着以信道资源利用率为优 势的 MIMO 技术的重要性有所降低。恰恰相反，这种情况下，MIMO 技术将发 挥其独有的且更为重要的作用。
在高频段系统中，由于诸多不利因素的影响，无线信号的覆盖将更加具有 挑战性。这种情况下，完全可以利用大规模天线阵列，形成高指向性、高增益 的波束，来克服信号传输中的诸多非理想因素，以保证覆盖距离和传输质量。 因此，大规模天线对于高频段通信技术的应用推广具有重大价值。
相对于低频段而言，高频段的大规模天线波束赋形方案设计需要考虑一些 特殊的因素。例如，出于复杂度、成本、功耗等因素的考虑，数字模拟混合赋 形甚至单纯的模拟赋形将会成为系统设计的主要考虑方案。这种情况下，在数 字域复基带信道状态信息之外，系统还需要考虑模拟波束的搜索、跟踪以及发 生阻挡时的快速恢复机制。此外，为了满足覆盖需求，高频段系统更适合部署 在以 LOS 径为主的场景中，使用高增益波束的使用，使得信道频率选择性降低， 因此频率选择性预编码/波束赋形对性能的改善作用有所降低。
1.7 大规模天线技术的应用场景