LabsIntroduction5G-NR作为一种新的无线接入技术，可以满足广泛的需求，包括增强的移动带宽、大规模类机器通信、超可靠和低时延通信等。新的无线接入技术可以支持高达100GHz的宽频率范围。但对于6GHz以上的高频通信，存在明显的路径损耗和穿透损耗。该问题的解决方案之一是部署大型天线阵列以获得高波束成形增益。因此，有必要研究用于新型无线电接口的多天线方案，包括增强型大规模MIMO以及各种波束成形，包括模拟/数字/混合波束成形。MassiveMIMO是NR的关键技术。与LTEMIMO相比，NR的天线数量大大增加。多天线可以通过波束赋形技术实现多用户空间划分，提高频谱利用率，提高能量利用率，满足覆盖需求（尤其是高频）。LTE引入波束，可以提高小区容量和频谱利用率。对于NR来说，整个空口无线设计都是基于波束的，上下行信道的所有发送和接收都是基于波束的。1.NR-MIMO规范设计1.1NR-MIMO的主要特点MassiveMIMO是传统MIMO技术的延伸和延伸。其特点（集中式MassiveMIMO）是将几十根甚至上百根天线集中放置在一个大规模的天线阵列中。天线上方。该技术可以通过增加天线数量直接增加系统容量。基站天线数量远大于其可同时服务的终端天线数量，组成MassiveMIMO无线通信系统，达到充分利用空间维度、提供更高数据速率、大幅提升频谱效率的目的.此外，随着基站天线数量的增加，MassiveMIMO可以利用终端移动的随机性和信道衰落的无关性，利用不同用户间信道的近似正交性来降低用户间干扰，实现多用户空分复用。MassiveMIMO的主要特点总结为以下三点：使毫米波频谱上的蜂窝通信成为现实由于mmWave的引入，国际电信联盟要求5G支持20Gbps的峰值速率。大幅提升系统性能超越LTEITU组织的5G要求达到LTE频谱效率的3倍。为5G实施提供足够的灵活性毫米波的引入充分考虑了部署场景、网络实施、需要支持的频段（尤其是高频段）等。1.2频率与路径损耗的关系5G-NR新接入技术可以进一步探索高频段的使用。首先，路径损耗与频率变化的平方成正比。传播方向性强，衰减大，抗干扰性能好，安全性高。其次，高频段波长小，元器件尺寸小，高频段可用频谱带宽大。如图1所示，以2.8GHz和28GHz为例，球面各向同性TX源在2.8GHz时的RX接收面积比28GHz大很多，但是28GHz的TX源可以形成一个相同的RX接收区。图128GHz&2.8GHz方向及阵列覆盖示意图以R=1m为例，2.8GHz接收孔径尺寸为9.135cm2，相对路径损耗为-41.4dB；28GHz接收孔径0.091cm2，相对路径损耗-61.4dB。-20dB是100倍的关系，等于频率的平方比，如表1所示。表128GHz&2.8GHz接收孔径和路径损耗比较在这方面，使用多根天线可以克服路径损耗在更高的频率，多个接收天线可以有效增加孔径尺寸，多个发射天线可以增加直接能量传输。而NR方便了多天线技术在无线接入的各个阶段的使用，如初始接入、随机接入、寻呼、数据/控制信息、移动性管理等。1.2频率与路径损耗的关系LTE的设计是基于每个单元的固定模拟波束，模拟波束在任何给定时间提供整个单元的全覆盖。而NR是基于每个小区多个可控模拟波束的概念设计的，每个波束在给定时间聚焦在小区的一部分以克服大的路径损耗。数字波束形成可以并行处理多个（例如100个）信号，并行获得多个不同的输出信号，同时测量来自不同方向的信号。数字波束形成的幅度和相位权重作用于基带信号，即发射端工作在进入DAC（数模转换）之前，接收端工作在ADC（模数转换）之后.因此，要求天线阵列的数量与射频链一一对应，即每条射频链需要一套独立的DAC/ADC、混频器、滤波器和功率放大器。由于LTE的载波频率相对较低，天线阵元数量较少，采用数字波束赋形可以充分发挥其优势，但在大规模阵列上使用时存在天线技术复杂、功耗高等问题天然橡胶。表2模拟波束成形和数字波束成形的比较数字和模拟波束成形的组合，或混合波束成形，可以在不过度增加实现复杂性的情况下实现较大的成形增益，如图2所示。对于实际的大型天线系统，需要考虑成本和性能之间的平衡。混合波束成形有多个射频链，每个射频链连接一个天线阵列，可以在支持MIMO传输的同时节省射频链的数量。在LTE中，混合波束成形被视为固定模拟波束成形。而在6GHz以下的NR中，由于信道往往存在更多的多径，数字基带预编码仍然可以认为是波束赋形的主要形式。对于6GHz以上的NR，可以将模拟波束赋形的移相器设计成自适应的，帮助控制窄波束以获得更好的波束赋形增益。图2.混合波束形成示意图。在较低频率下，可以使用单个波束来提供更广泛的覆盖范围。在更高的频率下，可以使用多个波束来增加覆盖范围。如图3所示。针对不同的频段和不同的场景，每个TRP（TransmissionandReceptionPoint，发射和接收点）可能会考虑不同数量的波束。在高频通信中，由于需要获得更高的波束赋形增益，通常会考虑更窄的波束，因此考虑更多的波束。对于不依赖波束成形进行覆盖的系统，请考虑单波束方法。在NR系统中，尤其是考虑高频时，为了满足NR的性能要求，TRP考虑支持最高256TX。在NR仿真假设的相关讨论中，70GHzTRP的发射和接收天线数量甚至可以达到1024个。图3单波束和多波束对比2.NR-MIMO规范特点3GPPRel-15版本，NR包括很多MIMO功能，有助于在6GHz以下和6GHz以上频段使用基站中大量的天线元件。其中一些特性在Rel-14中主要基于LTE，而另一些特性是由于一些新确定的部署场景而引入的，例如多屏幕阵列、高频段的混合波束，特别是针对多TRP或多屏幕操作支持，灵活的CSI（Channel-stateinformation，信道状态信息）采集和波束管理，支持最多32端口的TypeI（低分辨率）和TypeII（高分辨率）码本和用于MIMO传输的FlexibleRS（尤其是CSI-RS、DMRS和SRS）。基于这些特点，NR-MIMO与LTE-MIMO可以在以下几个方面进行区分。与最优的Rel-14LTE相比，TypeII码本可以在平均用户吞吐量方面提供实质性改进（至少30%）；灵活的CSI采集和RS设计允许后续增强的可扩展性；通过波束管理，NR-MIMO可以工作在高频段（>6GHz）。2.1NR-MIMO与LTE-MIMO的比较NR支持多层传输（单用户MIMO）。下行和上行传输方向的最大传输层数分别为8层和4层。在MU-MIMO（多用户MIMO）的情况下，上下最大传输层可以达到12层。在参考信号上，LTE有“一刀切”的下行参考信号CRS（Cell-SpecificReferenceSignal，单元特定参考信号），限制了灵活的网络部署，效率不高，不适合更高的频谱(>6GHz)，不适合大天线MIMO。LTE下行参考信号功能的解调、同步、状态信息信道测量均由CRS完成。NR下行链路参考信号是为特定角色定制的，可以灵活适应不同的部署场景和频谱。NR的下行参考信号DM-RS（DemodulationRS，解调参考信号）负责解调，TRS（TrackingRS，跟踪参考信号）负责同步，CSI-RS（Channel-stateinformationRS，信道状态信息参考信号））负责信道状态信息测量，PT-RS（PhaseTrackingRS，相位跟踪参考信号）负责相位噪声补偿。CSI-RS还可以用于精细的频率/时间跟踪、移动性测量和波束管理测量等。NR-MIMO和LTE-MIMO的相关比较如表3所示。表3NR-MIMO和LTE-MIMO的比较2.2上行整形上行支持基于码本和非基于码本的链路传输，基于码本的gNB（第五代基站）指示上行波束方向并预编码给UE，基于非码本，gNB仅指示波束方向。基于码本的上行传输：UE在不同的波束方向上发送多个SRS（SoundingRS）；gNB表示波束方向（SRSindex）、秩（rank）和发送上行预编码；UE根据gNB指令传输上行链路。Non-codebook-baseduplinktransmission：UE在不同的波束方向上发送多个SRS；gNB向UE指示波束/预编码方向和等级（均包含在SRS指示符中）；UE传输上行链路以匹配指示的SRS方向。2.3下行链路整形在下行链路中，用于波束管理的参考信号是下行方向空闲状态下初始接入的SSB（SynchronizationSignalBlock，同步信号块），连接状态下的CSI-RS或SSB。根据L1-RSRP（Layer1-RSRP，物理层信号强度）测量选择TX和RX波束，并使用收发器上的波束扫描空间滤波器改进波束方向。相应的PDCCH、PDSCH和PUCCH的TX波束信息被指示给UE，UE可以在接收端应用合适的RX波束。此外，还支持波束故障恢复，以便从TX/RX波束未对准中快速恢复。UE可以识别波束偏差并通知gNB新的候选波束索引。NR支持两种不同的CSI类型。类型I适用于上行链路开销较小的单用户MIMO传输。TypeII用于多用户MIMO传输，信道信息更精细，因此上行开销更大，如图4所示。TypeI码本延续了LTE的双层码本方案，即预编码矩阵分解为两个矩阵的乘积：W=W1W2。其中，W1为宽带信息，具体为DFT（DiscreteFourierTransform，离散傅立叶变换）向量组成的波束集，W2为子带信息，从W1的波束集中进行波束选择（每列只有两个值元素非零，其他元素都为零），实现偏振方向间的同相合成。NR的TypeII码本采用线性组合的方式构造预编码矩阵，可以显着提高CSI精度，大大提高MU-MIMO传输的性能。II型码本在结构上与I型码本一致，即同样表示为两个矩阵的乘积。有两点不同：一是TypeII码本中的W1是由相互正交的DFT波束组成的；二是TypeII码本中W2的作用是对W1中的波束进行线性组合，每个组合系数为非横模复数。TypeII码本的构造方法如下图所示。图中所示的配置有13个正交DFT光束，W1从中选择了4个DFT光束（b0、b1、b2、b3）。W2中的4个组合系数将这4个DFT光束线性组合。组合系数分为幅度(a0=1,a1,a2,a3)和相位(P0=1,p1,p2,p3)两部分分别反馈。图4NR中两种不同类型的信道状态信息3.NR的多波束操作NR中的波束管理机制，整个过程主要包括：波束扫描（发送参考信号的波束，按预定义的时间间隔进行空间扫描），波束测量/judgment（UE测量参考信号，选择最佳波束），beamreport（针对UE，上报波束测量结果），beamindication（基站指示UE选择指定波束），beamfailurerecovery（包括beamfailuredetection，discovering新光束，光束恢复过程）。3.1多波束初始接入对于多波束初始接入，以三级波束选择过程为例，流程如图5所示：第一级波束选择是宽波束的选择，类似于基于CSI-RSRP的虚拟单元选择。测量可以基于RS，类似于用于获取下行链路CSI信息的CSI-RS。根据设计可选择多条宽波束，宽波束可由模拟宽波束或混合波束组成；第二阶段为窄模拟波束或混合波束选择，类似于LTEFD-MIMO（FullDimension-MIMI，全维度MIMO）ClassB（基于波束成形的CSI-RS）（K>1，波束数量>1）CRI选择（UE报告CRI以命名要选择的适当波束）类似；第三级波束选择用于数字波束选择，类似于PMI（PrecodingMatrixIndicator，预编码矩阵指示）选择。图5多波束管理的初始接入和信道连接对于下行波束扫描SSB，在SSB传输的半帧（5ms）内，定义最大SSB传输次数为Lmax。当频率<=3GHz时，Lmax个数为4个；当频率在3GHz~6GHZ之间时，Lmax的个数为8；当频率>6GHz时，Lmax的个数为64。3.2波束失效恢复由于多波束运行时波束宽度较窄，网络与终端之间的链路容易出现波束失效。当终端与网络连接出现障碍时，终端使用非竞争性PRACH资源请求新的波束分配，网络根据终端的波束失效恢复请求重新分配波束，最终建立新的波束对关联。波束失效恢复的整体流程包括：RRC高层发送波束失效检测/恢复相关配置参数UE连接状态下波束失效检测新波束发现波束恢复请求完成波束恢复4.结论本文结合5GNR的技术特点MassiveMIMO，总结了3GPP中NRMIMO的研究内容和特点。3GPPRel-15版本基本完成了5GNR中MIMO所需的内容。下一步Rel-16将对Rel-15版本进行改进和增强，旨在进一步提升系统性能，降低开销和延迟。参考文献[1]3GPPTSGRAN#81RP-182067。修订后的WID：NR[S].2018.[2]的MIMO增强功能3GPPTSGRAN#89RP-1709232。WFonTypeIandIICSIcodebooks[S].2018.[3]3GPPTSGRAN#86R1-166089。NRMIMO波束管理流程[S].2016.[4]3GPPTR21.915。发布说明；版本15V1.0.0[S].2019.[5]3GPPTR38.912。新无线电(NR)接入技术研究V15.0.0[S].2018.【本文为专栏作家《移动实验室》原创稿件，转载请联系原作者】点此查看更多作者好文
