3D MIMO的標準化進展

焦慧穎　中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師劉　鵬　中國艦船研究院高級工程師邢　梅　中國人民解放軍中部戰區第一通信團工程師

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標準之窗

3D MIMO的標準化進展

焦慧穎中國信息通信研究院技術與標準研究所高級工程師
劉鵬中國艦船研究院高級工程師
邢梅中國人民解放軍中部戰區第一通信團工程師

有源天線的引入使得多天線技術在垂直方向進行波束賦形成為可能，3GPPR12階段進行了3D MIMO信道建模的研究，并于R13階段啟動垂直波束賦形/全維MIMO的研究工作，在此基礎上開展了3D MIMO的標準化工作。本文介紹了3D MIMO的標準化進展情況。

垂直維波束賦形；全維MIMO；CSI進程

1　引言

3GPPR11對3D MIMO的信道模型進行了研究工作。在此基礎上，R12首先對3D MIMO的傳輸機制進行了研究，評估最多64端口的3D MIMO的性能，研究相關的增強方案，然后啟動3D MIMO的標準化工作，支持最多16端口。

研究階段的評估分為兩個階段：階段一，明確天線配置及評估場景，評估使用3D信道模型下R12下行M IMO的性能；階段二，研究增強方案，并評估標準化增強帶來的好處，同時研究設計原則，明確標準化影響。

評估場景分為同構網場景和異構網場景，具體場景如下：

（1）同構網場景

●場景1：3D-UMa，ISD為500m。

●場景2：3D-UMa，ISD為200m。

●場景3：3D-UMi，ISD為200m。

（2）異構網場景（按優先級由高到低排序）

●場景4：非同頻段情況，宏小區和小小區使用不同載波頻率。

●場景5：同頻段情況，小小區不使用Elevation Beam forming/FD-MIMO。

●場景6：同頻段情況，小小區使用Elevation Beam forming/FD-MIMO。

如圖1、2所示，采用的天線配置為雙極化天線，天線陣列模型（M、N、P）中的M表示每列同極化的天線陣元數，N表示天線陣元的列數，P表示極化的方向數。收發單元稱為TXRU，它的虛擬化模型是一個TXRY與相同極化方向的一組天線陣元項鏈，這組陣元之間可以使用模擬波束復興，TXRY與數字基帶處理項相連，可獨立控制幅度和向往，類似于天線陣列模型，TXRU的配置也用（（MTXRU、NTXRU、P）來表示。TXRU的虛擬化包括一維和二維虛擬化，其中一種是子陣列分組模型，另外一種是全連接模型。

圖1　子陣列分級模型

經過研究表明，3D MIMO的增強有基于實現的增強方案，也有基于標準化的增強方案。基于實現的增強方案有以下幾種類型：

圖2　全連接模型

●類型1

是扇區化（每個小區有不同的Cell ID），可以進行水平維或垂直維度單方向扇區化，也可進行二維扇區化，多個扇區共享同一天線陣列，每個扇區最多8個CSI-RS端口，與R12一致，每個終端只連接到一個扇區，具體的實現方式如圖3、4所示。

圖3　全連接TXRU虛擬化實現的扇區化1

圖4　基帶實現的扇區化1

●類型2

是每個小區有相同ID的扇區化，同樣可以進行水平維或垂直維度單方向扇區化，或二維扇區化，每個扇區使用一個CSI-RS資源，多個扇區共享同一天線陣列，每扇區最多8個CSI-RS端口。具體實現方式如圖5、6所示。

圖5　全連接TXRU虛擬化實現的扇區化2

圖6　基帶實現的扇區化2

●類型3

是基于2個CSI進程的Kronecker預編碼，水平維和垂直維分別使用一個CSI-RS資源，分為水平維的CSI-RS端口和垂直維的CSI-RS端口，在這種方案中為每個UE配置2個CSI進程，分別對應水平維CSI-RS資源和垂直維CSI-RS資源。基站根據UE反饋的水平維和垂直維預編碼信息形成2D預編碼，采用Kronecker結構。

●類型4

是TDD系統的基于SRS的預編碼，為天線陣列配置一個CSI-RS資源，為一個UE配置一個CSI進程，配置UE不反饋PM I/RI，終端通過CSI-RS端口測量基于TxD的CSI，并且基于信道互易性，基站根據SRS確定波束賦形和預編碼。

基于標準化的方案有幾個方面，最重要的方面是CSI-RS和反饋增強方面，分別針對幾種方案進行增強，比如基于波束賦形的CSI-RS的方案、基于無預編碼CSI-RS方案、基于混合波束賦形CSI-RS和無預編碼CSI-RS方案和TDD基于無碼本的CSI上報方案。另外，一些需要標準化的點有DM RS的增強和RRM測量的增強。

2　3D MIMO的傳輸機制

針對上述研究階段得出的標準化的點，在WI階段作了相應的標準化工作，3GPPR13將CSI-RS端口擴展為12/16個，并且是2維分布，是由基站的64根物理天線經過TXRU虛擬化和CSI-RS端口虛擬化后映射得到（見圖7）。

圖7　12和16天線端口配置

3D MIMO的傳輸機制分為兩種類型，一種類型（Class A）是基于碼本的方式，另外一種（Class B）是波束賦形。Class A的CSI-RS資源是配置K個CSI資源，并且滿足累計共12，16個CSI-RS端口，碼本結構仍舊沿用W=W1W2的架構，但是要針對3DM IMO進行優化。Class B的波束賦形分為小區專用級別和UE專用級別兩種。

3　CSI-RS端口設計

Class A的8、12或16個CSI-RS端口，均同屬一個CSI進程（CSI process），由現有的K個CSI-RS配置累積構成，每個CSI-RS配置包括N個端口，8個CSI-RS端口對應（N，K）=（8，1），16個CSI-RS端口對應（N，K）= （8，2），12個CSI-RS端口對應（N，K）=（4，3）。

為了支持12和16CSI-RS端口的3D MIMO，需要在現有CSI-RS的基礎上擴展到12和16端口，將擴頻（CDM）的碼字擴展到4來支持更多端口，為了保持后向兼容的終端也可配置CSI-RS資源，所以同時支持CDM-2和CDM-4。

12和16端口CSI-RS的設計如圖8所示。

為解決一些TDD配置下可用發送CSI-RS的資源少的問題，DwPTS子幀支持CSI-RS，支持2/4/8/12/16個CSI-RS端口。采用搬移的方式，UE根據指示的CSI-RS配置index和子幀類型決定CSI-RSRes的位置，但是和PSS交疊的OFDM符號上的CSI-RS REs是不能用的（見圖9）。

4　類型A的碼本設計

8，12，16個CSI-RS端口碼本的預編碼矩陣W表示為W= W1W2，這里

其中，X1是N1×L1維矩陣，L1個列向量為O1倍過采樣的長度為N1的DFT向量，X2是N2×L2維矩陣，L2個列向量為O2倍過采樣的長度為N2的DFT向量，N1、N2分別是每個極化方向上第1維、第2維的天線端口數。

圖8　12端口CSI-RS和16端口CSI-RS設計

圖9　DwPTS的CSI-RS設計

3GPPR13定義了可配置碼本，RRC信令需要配置5個參數，（N1，N2），（O1，O2），Config=｛1，2，3，4｝，通過設定Config，確定碼本子集（Rank1～2）。（N1，N2），（O1，O2）參數配置如表1所示。

表1　（N1,N2），（O1,O2）參數配置

4種碼本的設計思路如表2所示。

5　類型B的波束賦形

表2　4種碼本配置的設計方案

類型B是波束賦形方案，多個波束的CSI-RS的配置可以分為小區級波束賦形CSI-RS（Cell-specific Beamformed CSI-RS）和用戶級波束賦形CSI-RS （UE-specific Beamformed CSI-RS），UE選擇最優波束，報告最優波束以及碼本的反饋和CSI報告。

類型B的一個CSI進程也是由現有的K個CSI-RS配置累積構成，K=1可以實現用戶級波束賦形CSI-RS，K>1可以實現小區級波束賦形CSI-RS。K=｛1，2，…，8｝，N1+…+NK≤Ntotal（Ntotal可能的取值8、12、16、32、64，與UE能力有關）。

如果給終端配置小區級CSI-RS，CSI-RS的進程數大于1，每個進程可以配置的端口數為=｛1，2，4，8｝，通過配置K個R12的NZP CSI-RS資源，讓終端分別測量每個資源上面的信息，通過反饋波束指示CRI來指示選擇的波束所對應的CSI-RS資源，對于選擇的波束k，反饋Nk個端口的R12碼本。

而如果是給UE配置UE專用的CSI-RS資源，CSI的進程數為1，該進程的端口數，NK=｛1，2，4，8｝，給終端配置一個R13的NZP CSI-RS資源，CSI碼本分為兩種反饋方式，一種是按照傳統R12方式反饋，另外一種是只反饋W 2碼本。

圖10、11給出了Cell Specific波束賦形和UESpecific兩種反饋方式的示意圖。

6　測量受限

測量受限（Measurement Restriction，MR）指示每個UE的NZPCSI-RS和CSI-IM的測量邊界，通過RRC信令設置，包括信道測量受限（Channel MR），和干擾測量受限（Interference MR），信道測量受限僅適用于類型B，干擾測量受限同時適用于類型A和類型B。測量受限在一個CSI進程中測量一個CSI-RS資源或CSI-IM資源，同時適用于周期和非周期CSI報告。

圖10　小區專用CSI-RS波束賦形

圖11　UE專用CSI-RS波束賦形

7　DMRS的增強

如圖12所示，R12 MU-MIMO的DMRS是2個OCC=2的正交DMRS端口7、8，并且通過擾碼ID來支持最多4個Rank1的用戶配對，最多兩個rank2的用戶配對。R13對此做了進一步增強，支持4個OCC=4的正交DMRS端口7、8、11、13。

圖12　DM RS增強

在DCI Format 2C和DCI Format 2D中增加1比特區分OCC=2或者OCC=4，具體參見表3。

8　SRS的容量增強

給R13UE引入新的RRC參數來決定UpPTS符號的長度，新增加的UpPTS符號不超過6，而DwPTS的符號數目還是和SIB1中配置的數目相同。

增加SRS的Combs數目到4，而最大的CS數目是12，因此要引入新的RRC信令來時能RPF4，UE Speci fic參數Tansm issionComb或者Transmission Comb-ap擴展到2bit來指示4個Comb，在現有3bit信令上新增一個信令來指示12個Cyclic Shift。

9　結束語

3D MIMO的標準化工作于2015年12月底結束，將天線端口擴展到2維的8、12和16端口，標準化了兩種類型的傳輸機制，包括非預編碼的CSI-RS（Class A）和波束賦形的CSI-RS（Class B），非預編碼的CSI-RS設計了12和16端口的CSI-RS以及4種可配置的碼本，波束賦形的CSI-RS包括小區專用和終端專用CSI-RS配置，同時針對多用戶MIMO進行了DM RS的增強以及擴大容量的SRS增強。3D MIMO標準化的順利完成為未來5G大規模天線陣列奠定了堅實的基礎。

［1］3GPP.Study on 3D Channel Model for LTE V12.0.0.（2014-09）.

［2］TR36.879V12.2.0.（2015-06）.

［3］R1-156401Final Report of RAN1#82bis Meeting ETSI.

表3　在DCI Format2C和DCI Format2D中增加1比特區分OCC=2或者OCC=4

2016-06-10）