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GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2018年5月发布了《Massive MIMO White Paper V2.0》，由中国移动、中兴、华为和爱立信共同起草。
前言
随着移动互联网和智能手机的发展，用户的使用习惯已经发生了很大的变化。移动宽带接入的容量增加大力促进了移动互联网和移动数据业务的增长，而这反过来又对移动网络容量提出了新的增长要求。
为了满足话务需求的急速增长，4G和5G时代增加天线的数目不可避免。大规模天线技术势必是未来5G时代的核心技术之一。
大规模天线技术使4G能够保持连续演进。采用大规模天线，可以显著增加频谱效率，尤其在容量需求较大或者覆盖范围较广时，它可以使4G网络满足网络增长需求。从运营商的角度看，这项技术具有较好的前景，因此应当提前在5G硬件中实施，并通过软件升级来提供5G空中接口功能，以促进5G的部署。
作为4G时代的大规模天线技术，大规模MIMO(Massive MIMO)已经被广泛认为是4G部署以来最有效的技术。它利用LTE TDD频谱的无可比拟的优势，在网络性能方面获得了革命性突破，这种革新技术是未来网络大发展的前奏。
1. 采用大规模天线阵列mMIMO，频谱效率比普通宏基站增加3到5倍。这种显著增益会激励运营商完全颠覆其网络建设策略。
2. mMIMO增加了网络覆盖的灵活性，运营商可以利用mMIMO的水平和垂直覆盖特性来提供不同场景下的覆盖。
3. 采用惊人的高容量增益，mMIMO有望帮助运营商使用机器灵活的计费政策来吸引用户，提供无与伦比的用户体验，刺激用户数据消费，获得话务收益，增加运营商收入。
4. mMIMO与4G终端兼容，运营商现在就可以从4G网络部署中获取收益。同时，它还支持面向5G的网络演进，从而保持和提升现有投资的回报。
1. 介绍
1.1 背景
2G时代话音和短信业务为主，3G时代website和数据业务为主，4G时代则以视频和在线游戏为主。随着业务的变化，用户对网络容量和时延的需求越来越强烈。未来2018年，虚拟现实和增强现实类应用则将会大力发展，从而带来数据流量的激增。根据Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2016–2021的预测，从2016年到2021年，移动数据业务的年度复合增长率将会达到47%，如下图所示：
为了应对上述挑战，LTE网络中引入了mMIMO技术，来提升频谱效率、信道容量和链路可靠性。5G会采用更高的频段，而LTE TDD在部署高频段mMIMO方面具有明显的优势。
1.2 白皮书的目的
4G向5G演进过程中，mMIMO多天线技术对运营商来说，起着重要的作用。话务快速增长的条件下，如何利用现有的LTE投资来不断地满足话务需求，如何保持现有4G网络的收益，如何进行4G演进以满足垂直行业和应用的发展需求，对运营商来说极为重要。这些需求对网络都带来新的需求。ITU在最终定义5G需求并进行标准制定的时候，如何满足频谱效率的需求也是运营商优先关注的问题。
LTE TDD在采用mMIMO方面具有内在的优势。为了在4G和5G部署中采用mMIMO技术，本白皮书描述了技术原则以及测试结果，可作为运营商和行业工业伙伴在4G演进和5G部署方面的参考资料。
白皮书包括以下内容：
· mMIMO原理和TDD方面的优势
· 典型场景下mMIMO的测试结果
· 4.5G和5G系统中mMIMO的商用路标
· mMIMO商用产品的需求和进一步增强
2. mMIMO的原理
2.1 mMIMO的基本原理
mMIMO作为5G的一个候选技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。在采用大天线阵列的mMIMO系统中，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，因此能量能够更加准确地集中指向特定的UE，从而减少了小区间干扰，能够支持多个UE间的空间复用。
采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列，可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合，大力提升区域频谱效率。
简而言之，mMIMO系统定义为：
· 大量收发信机(TRX)；
· 空间复用特性；
· 多用户调度(MU-MIMO)；
· 上下行方向上的大量高增益天线阵列。
2.2 TDD在mMIMO实施中的优势
在mMIMO中采用TDD技术有助于在频谱效率、网络性能和容量方面提供较大的优势，同时便于从4G演进到5G网络。
由于上下行信道间的互易性，TDD基站能够得到完整的非量化的下行信道状态信息，从而能够采用更加灵活和准确的波束赋形技术提升小区覆盖和吞吐量。基于更加准确的非量化的信道状态信息，TDD系统中的多用户调度更加灵活和准确，因此增加了系统容量。反之，FDD基站仅能够通过UE反馈的码本得到量化的信道状态信息，从而制约了波束赋形和调度的灵活性。
TDD系统中的信道互易性如此之强，因此能够天然地适用于64个以上天线的波束赋形。部署TDD mMIMO的另外一个好处就是现有的商用3GPP R8/R9 UE无需升级即可使用。
3. 典型场景下mMIMO的测试结果
mMIMO与现有的协议和终端相兼容，可以通过系统侧软硬件升级来部署。该技术大力提升了网络覆盖、频谱效率、平均小区边缘用户吞吐量以及商用用户体验。mMIMO已经在商用网络中进行了测试，在一些典型场景中获得了显著的性能。在大容量热点场景下，mMIMO采用空间复用来为更多用户提供服务，从而增强了网络容量。在3D覆盖场景下，mMIMO技术提供了灵活的波束赋形容量，可以更好地为高层建筑中的用户提供服务。
mMIMO适于高话务、高站(High Rising)、上行受限和区域用户大规模垂直分布等场景下。然而，在高速场景下，多普勒频移将会使信道均衡和估算的错误扩大，从而影响mMIMO空间分集的优势。因此，当前的mMIMO不适合于高速场景。
3.1 典型应用场景
3.1.1 热点场景
当前，数据业务量的特点就是在20%的热点区域内产生超过70%以上的流量，如市区CBD、商业中心、交通枢纽、居民区、大学校园等，都具有同样的特点，即人流集中、话务负荷高、容量不足等。mMIMO可以提供较高的空间复用增益和较强的波束赋形能力，从而满足这些区域内的容量需求。
3.1.2 3D覆盖场景
高层建筑内，网络覆盖通常较差，且覆盖增强面临多项挑战，比如：
· 需要采用多个天线提供高层覆盖，但是站点难以获取。
· 信号穿透墙壁后会变得很弱。
· 上行信号传输增加了建筑物中的小区间干扰。
高层建筑中的话务通常比较集中(intensive)，为了满足话务需求，mMIMO具有以下独有的特性：
· 垂直面采用大量天线阵列，显著增强高层覆盖。
· 采用波束赋形增益弥补穿透损耗。
· 灵活地按需进行波束宽度和方向的调整，降低小区间干扰，增强3D覆盖和容量。
3.1.3 大型公共集会
遇到大型公共集会比如足球赛、音乐会、游行，上千人会停留在一个地点并产生巨大的数据量。而通常传统的宏蜂窝容量只能支持100~200个激活用户。在这种场景下，mMIMO通过以下方法可以有效地分担多余的数据流量。
· 精准的用户专用的波束赋型以及多用户复用。
· 下行控制信道增强。
· 容量是传统宏蜂窝的3~5倍。
· 很简单地就可以同时服务500个以上的用户。
3.2 峰值吞吐量测试
在北京的典型室外场景下测试峰值速率，多个UE进行满buffer下载，图中采用黄星表示。mMIMO基站采用64收发信机(TRX)天线，而当前商用基站仅采用了8TRX。
mMIMO下，基站下行峰值吞吐量为660Mbps，是8TRX天线的6倍(600%)。
测试中64T64RMM BTS和8T8R TDD宏蜂窝BTS的详细信息：
• 使用B41 20MHz频谱。
• UL L =1:3。
• Rel-8 UE支持TM2/3/7，Rel-9 UE支持TM2/3/7/8。
• 16个1T2R Rel-8或Rel-9终端位于好点和中点，采用TM7或者TM8波束赋形，下行最大16层，上行最大8层，使用DM-RS而不是CSI-RS。
• 对于MIMO BTS，下行PRB利用率为100%，下行频谱效率为8250bit/RB；对于8T8R宏蜂窝BTS，下行PRB利用率为100%，下行频谱效率为1375bit/RB。
3.3 商用网络中的性能
目前，上千套mMIMO设备已经在商用网络中进行了部署。本章分析在只采用商用终端承载现网MBB业务的条件下，mMIMO性能KPI的提升情况。
3.3.1 mMIMO商用性能分析
mMIMO巨大的增益主要来自于多用户MIMO技术。商用网络中，以下因素会影响mMIMO的增益。
· 激活用户数：用户越多，配对机会就越多。
· 用户信道相关性：用户之间相关性越高，用户配对的机会越少，小区吞吐量影响也越大。
· 话务模型：尽管下载和视频业务可能产生更大的数据包（>1000字节）和恒定的数据流入量，但是，大部分移动应用比如SNS的流量模型却很不相同，属于典型的小数据突发业务(如几百字节) ，这种突发性业务场景下用户就难以稳定地和其他用户配对。
· 用户信号质量：边缘用户通常不能配对成功，进而影响SINR。
3.3.2 热点场景
北京某个校园环境下，mMIMO显著提升了系统容量。KPI监测显示，商用终端non-full buffer话务条件下，相对于8TRX，64TRX的上下行频谱效率分别提升了255%和305%。
以下是64T/64RMM BTS和8T8R TDD宏蜂窝详细信息的对比：
· 基于商用用户网络KPI分析，只有商用用户，测试中没有使用商用full buffer业务终端。
· 图中数据来自网络性能KPI数据。
· 对于64T64R MIMO基站，小区平均下行速率为60-130 Mbps, 小区平均上行速率为4-8 Mbps, 小区中有400-800个用户，用户传输曾使用过TM2/TM3/TM7/TM8。
· 对于8T8R宏站，小区平均下行速率为20-40Mbps, 小区上行平均速率为2-4Mbps，小区中有200-400个用户，用户传输曾使用过TM2/TM3/TM8。
3.3.3 高流量地区(MBB)
在浙江的一个大学校园，mMIMO在忙时显著地起到了分流作用。观察到小区吞吐量大概是8T8R蜂窝的4倍，当有大概800个激活用户时，用户速率还能达到~5Mbps。
在一个著名的沙滩旅游点，部署了mMIMO来替换传统的4T4R基站后，mMIMO蜂窝提升了3倍数据量，小区最大吞吐量达到80-100Mbps，小区中激活用户超过400个。
3.3.4 高流量地区（FWA）
在不能使用传统的铜轴电缆和光纤接入或者部署费用过高的地区，多使用固定无线接入。。在菲律宾的FWA区域，用mMIMO替换了4T4R基站后，获得了3倍容量的提升，以及5倍用户速率的提升。
3.3.5 3D覆盖场景
北京某站下，mMIMO显著提升了高层居住区的覆盖性能。相比8TRX，64TRX减少了垂直面的覆盖空洞。
3.3.6 大型公共集会
在浙江大学120周年庆时，中国移动使用3个mMIMO小区和6个应急通信车携带的8T8R小区，服务了超过3000个激活用户。mMIMO分流了56%的用户和88%的流量。每个mMIMO小区吸收的用户是8T8R小区的2.6倍，吸收的流量是其7倍。
下图是在某个大型体育馆举行的音乐会。4个mMIMO小区被部署在体育馆中心的舞台上，用于覆盖VIP区域。整个区域有36个小区，其中4个是mMIMO小区。
在音乐会中，全部激活用户数超过9000个，mMIMO小区承载的用户超过3000个，上行数据达到138G字节，超过了下行数据量。mMIMO小区承载了其中大部分用户和流量。
4. mMIMO如何从4.5G演进到5G
4.1 从LTE-A到mMIMO演进
尽管mMIMO已经可以商用并兼容TDD Rel-8/9终端，但3GPP仍然希望在新规范中提高其性能。
3D信道模型的研究开始于2013年，EB/FD-MIMO工作提案于2015年12月完成。R13引入了和EB/FD-MIMO对应的一些新功能。比如CSI-RS增强、SRS容量等。FD-MIMO通过SU-MIMO和MU-MIMO提高了容量和覆盖，它还开始了从被动天线到主动天线阵列的转换。基于R13的FD-MIMO，R14提出了eFD-MIMO。因为标准化时间短，R13 FD-MIMO有以下缺陷：
1. 只支持16天线端口。
2. 没有针对多用户空间分集的CSI报告的增强方案。
3. 没有针对CSI测量丢失(如小区间干扰、UE高速移动等)的补偿机制。
以上缺陷已经在R14得到改进，主要包括：
• Non-procoded CSI-RS：引入减少CSI-RS开销的机制，以支持更多的天线端口，扩展non-procoded CSI-RS端口数量，从Rel-13 (1,2,4,8,12,16)扩展到（20,24,28,32）
• 对CSI-RS进行波束赋型：引入非周期性CSI-RS和其他技术，优化UE专用的波束赋型的CSI-RS的资源的使用效率。
• 上行DMRS：引入多于2个正交的DRMS，当用户被分配到重叠的带宽时，可用于支持多用户MIMO，
• CSI报告增强：引入新的(20,24,28,32)天线端口码本，支持更多的CSI-RS端口。引入CSI报告增强机制，允许UE支持non-precoded CSI-RS、波束赋型CSI-RS反馈和波束赋型CSI-RS的混合使用。除了码本反馈，还引入了新的反馈机制来提高基站的预编码性能，包括有效的接口管理，支持高效率的多用户传输。
4.2 mMIMO到5G的演进之路(Roadmap)
在4G到5G的演进过程中，LTE TDD mMIMO希望在商用部署和发展方面得到更大应用。下面为mMIMO从4G演进到未来5G系统的路标。
4.3 目前阶段mMIMO商用产品概览
4.3.1 华为mMIMO产品
4.3.2 中兴mMIMO产品
4.3.3 爱立信产品
4.4 mMIMO进一步增强以支持3GPP Rel 13/Rel 14终端以及5G
4.4.1 基站演进
增强综合容量并降低大规模部署的成本
mMIMO是当前移动通信系统中最具破坏性(disruptive)的技术演进，它利用多天线技术显著提升频谱效率、满足网络大容量的需求。在主要移动运营商的带领下，业界持续努力，将mMIMO从实验室样机变成了商用产品，并成为获取网络容量快速增长的主要手段。
未来数年，mMIMO大规模商用部署成本需要进一步降低，工程规范需要持续改进，以便mMIMO能够迅速部署，并在低功耗条件下工作。
从4G到5G演进过程中，业界需要考虑如何共享4G和5G的设备硬件、频谱、功率以及其他资源，以便mMIMO顺利演进到5G。
到5G的顺利演进
5G规范尚未终结(译者注：此报告发布时尚未终结，翻译时R15 NSA/SA标准均已冻结，不过不影响技术观点的理解)，当前，空口候选方案包括：
· 波形技术：基于OFDM，可能存在新波形如F-OFDM和Window-OFDM等。
· 帧结构：多种参数集，1ms或者更短的TTI，自包含子帧，动态TDD，灵活全双工。
· 多址接入技术：正交复用多址，非正交复用多址。
· 调制技术：高阶调制，如下行1024QAM，上行256QAM。
· 编码技术：LDPC码和Polar码。
从系统级来看，这些候选技术或者完全由基带单元处理，或者独立于RF硬件来处理。因此，仅通过基带单元的硬件增加或者更换]以及mMIMO RF单元的软件升级，就可以应用5G基带单元，升级到5G系统了。
mMIMO产品中需要考虑相关的增强，这对5G硬件的提前具备、升级支持5G新空口相关功能、5G的部署等方面都相当重要。
SRS 天线选择
SRS天线选择是当前移动通信工业的一个重要增强，特别是未来5G波束赋型领域。当前，多数UE只能支持在主传输天线上发射SRS，因此基站只能得到这个天线的信道信息。然而，使用RSR天线选择技术，就可以得到全部天线的完整的信道信息。因此，基站可以生产更精确的波束赋型权值，使得单个秩(Rank)和双秩(Rank)的波束赋型性能都会得到很大提高。
如下图所示，在远点，中间点和近点分别进行测试可知，UE的吞吐量得到很大提升，特别是在远点和中间点，达到了40%以上的增益。
PDCCH SDMA
PDCCH空分多址是一个创新的技术，可以将丰富的mMIMO空间资源用于PDCCH。传统的解决方案中，PDCCH CCE不能复用，因为它不支持波速赋型，不能通过普通广播信道发送。LTETDD系统中最多只有3个OFDM符号可用于CCE资源，当被调度UE的数量增多时，PDCCH会变得非常拥塞。mMIMO的增强的网络容量会加重PDCCH拥塞。通过使用PDCCH SDMA, mMIMO可以生成多个波束赋型的CRS波束，当UE分属于不重叠的CRS波束时，这些UE就可以复用PDCCH CCEs，PDCCH容量得到很大提升。
PDCCH SDMA用于mMIMO已经在高负载的商用网络进行了测试，下行每TTI调度用户数增加了44%，上行每TTI调度用户数增加了92%。
4.4.2 终端演进
终端是无线网络中的重要组成部分，终端技术的发展使得终端能够在mMIMO环境下工作，充分利用mMIMO的技术特性，显著提升单用户容量和网络容量。
终端侧将从以下方面演进，以更好地支持mMIMO技术：
· 支持3GPPR13、R14和R15中定义的mMIMO优化，以提升网络性能。包括TM9优化。
· 终端支持4或8接收天线，以支持下行的4或者8层，提升单用户性能。
· 支持上行多天线传送技术，如天线选择性发送SRS，以支持2/4/8层下的上行单用户发送以及上行波束赋形，增强上行单用户速率和覆盖。
· 支持更高发射功率，提高上行覆盖。
5. 结论
LTE TDD具备一些内在特性，有利于采用mMIMO技术。在4G演进过程中采用大规模天线技术，可以显著提高频谱效率，尤其在容量需求大、覆盖要求高的地区，使4G网络满足4.5G时代网络需求增长的要求。这项技术需要5G硬件提前支持此功能，并通过软件升级提供5G空口功能，方便5G部署。现网测试结果证明，mMIMO技术在一些典型场景下具有明显的好处，如热点高容量地区以及高覆盖需求场景下。这项革命性的技术为4G网络的演进和未来5G网络的部署以及业界的进步奠定了坚实的基础。
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发表于 2018-6-19 22:24:44
