IMT-2020（ 5G） 推进组 大规模天 线 专题组技术报告 技术报告 Technical Report 版权声明 Copyright Notification 本文档由 IMT-2020（ 5G） 推进组 大规模 天线 专题组成员单位起草 未经书面许可 禁止打印、复制及通过任何媒体传播 © 2015 IMT-2020推进组版权所有 目 录 1 引言 . 4 1.1 Massive MIMO 概述 . 4 1.2 研究现状 . 5 2 MASSIVE MIMO 测量与建模方法 . 9 2.1 MASSIVE MIMO 信道建模方法 . 9 2.2 MASSIVE MIMO 信道测量方法 . 12 2.3 MASSIVE MIMO 信道分析与建模方法 . 16 2.4 MASSIVE MIMO 信道模型 . 18 2.5 信道场景分类 . 19 2.6 MASSIVE MIMO 天线极化模型 . 27 2.7 MASSIVE MIMO 大尺度信道参数 . 31 2.8 MASSIVE MIMO 快衰信道模型 . 42 2.9 信道生成流程 . 53 3 大规模天线传输技术方案 . 61 3.1 3D 波束赋形 . 61 3.2 TX/RU 虚拟化 . 66 3.3 数模混合波束赋形 . 69 3.4 SINGLE AAS 方案 . 83 3.5 覆盖与可靠性增强方案 . 89 3.6 高移动性场景增强方案 . 90 3.7 FDD 大规模 MIMO 系统的两级预编码传输方案 . 91 3.8 FDD 大规模 MIMO 系统中基于用户特征空间分组的小区间协作传输方案 . 95 3.9 大规模 MIMO 系统中基于特征空间分组的小区间协作上行导频分配方法 . 98 3.10 大规模 MIMO 系统中基于特征波束空间的随机接入方案 .104 4 信道状态信息测量与反馈 . 112 4.1 信道状态信息 CSI 的超分辨率估计方案 .112 5 大规模天线阵列设计 . 123 5.1 天线阵列形态 .123 5.2 天线阵列结构 .124 5.3 射频通道的一致性 .124 5.4 波束赋型架构 .125 5.5 阵子到端口的映射 .126 5.6 大规模天线系统评估与测试 .127 6 性能评估 . 131 6.1 基线仿真假设及部分基线仿真结果 .131 6.2 分布式 MIMO 的性能评估 .132 6.3 基于用户特征空间分组的小区间协作传输方案的性能仿真与评估 .136 6.3.1. 系统仿真参数设置 .136 6.3.2. 仿真结果与分析 .137 7 原型系统 . 141 7.1 中兴原型系统 .141 7.2 华为原型系统 .142 7.3 大唐原型系统 .143 8 参考文献 . 144 第 一章 引言 1.1 Massive MIMO 概述 1.1.1 Massive MIMO 研究需求 随着无线通信技术的发展，无线网络的丰富应用带动了无线数据业务的 迅速增长。据权威机构预测，未来 10 年数据业务以每年 1.6-2 倍的速率增长， 按照该增长速度， 到 2020 年时数据业务将增长 500-1000倍 ， 这 将 给无线接入网络带来了巨大的挑战， 因此这就需要未来通信系统设计能够更加 高效地利用带宽资源，大幅度提升频谱效率。 目前 大规模天线阵列 （ Massive Multiple Input and Multiple Output, Massive MIMO） 系统 被认为是未来 5G最具潜力的传输技术之一，它是现有 4G网络中 MIMO技术的扩展和延伸。 现有 4G LTE-A 蜂窝网络 最多支持 8天线 端口 并行传输，但是更具之前据侧数据，未来仍然 很难满足 无线数据业务的增长 需求。 在大规模天线阵列系统中，基站侧配置大规模的天线阵列（从几十至上千），利用空分多址（ SDMA）技术，可以在相同时频资源上同时服务多个 用户，如图 1-1所示，利用大规模天线阵列带来的巨大阵列增益、分集增益和多用户复用增益，可以使得小区总频谱效率和边缘用户的频谱效率得到了极大的提升。 图 1-1 Massive MIMO 系统示意图 1.1.2 Massive MIMO 基本原理 2010 年 Bell 实验室的 Marzetta 教授提出 通过 在基站 侧 使用大规模天线阵列构成大规模 MIMO 系统 可以 大幅度提高系统的容量 ，文献 1中详细描述了Massive MIMO技术理论 ， 其 基本原理如下：一方面，当 Massive MIMO 系统中基站侧天线数远大于用户端数，根据概率统计学原理，基站到各个用户的信道趋于正交，因此用户间干扰很弱；另一方面，基站侧的大规模天线阵为每个用户带来了巨大的阵列增益，从而提升每个用户信号传输的信噪比，从而使得 Massive MIMO可以为多个用户提供同时同频、高质量的通信。 研究结果表明 ： 在 20MHz带宽的同频复用 TDD 系统中，每 个 小区用 MU-MIMO 的 方式服务 42 个用户时，即使小区间无协作且接受 或者 发送只采用简单的 最大比接收或发送（ MRC/MRT）方式时，每个小区的平均容量也可高达 1.8Gbps 1。 Massive MIMO 技术的使用除了可以带来系统容量提升外，还会在信号处理算法、节能以及硬件实现方面带来诸多好处。首先，由于用户间信道趋近正交，所以 Massive MIMO 系统中的多种线性 MIMO 空间处理方法，包括 MRC/MRT, ZF, MMSE 的性能趋于一致，采用最简单的线性处理方法就可以达到良好性能，这大大降低了大规模天线带来的基带信号处理的复杂度，从而使得现有基带芯片可以有能力去实时处理几百个天线单元采集的信号。其次， Massive MIMO 技术可大幅度降低基站的功耗和成本，使其商用化成为 可能。在保证终端接收功率不变的情况下，采用 M 个天线的基站比单天线基站从理论上可使基站总发射功率降低为单天线基站发射功率的 1/M，单个天线的发射功率降低为 1/M2。在使用大规模天线阵列的情况下，单个天线发射功率可以降至很低，我们可以采用低功率的功放甚至不采用功放来完成射频信号传输，这比目前基站普遍采用的大功率功放更易实现，效率更高。最后，随着集成电路技术的进步，可以在成本很低的单个芯片中集成单个天线对应的射频通道以及相应的模数（ ADC： Analog-to-Digital Conversion）和数模（ DAC： Digital-to-Analog Conversion）转换单元（类似于传感器网络中的传感节点）。这样，即使采用数百个天线单元，其成本也不会高于当前体积庞大的高功率基站，从而使得 Massive MIMO 比当前基站更符合绿色节能的要求。 1.2 研究现状 Massive MIMO 技术 自 提出后 便 成为了学术界与产业界的一大 关注 热点 ， 引起了研究机构、运营商、设备商等的极大兴趣， 并且 纷纷加大了对 Massive MIMO技术的研究， 也 取得 了一系列的研究 成果。 2010 至 2013年间， Bell 实验室、瑞典的 Lund 大学、 Linkoping 大学、美国的 Rice 大学等引领着国际学术界对massive MIMO 信道容量、传输、检测与 CSI 获取等基本理论与技术问题 方面的探索。在这些研究中，阿朗的贝尔实验室起到了很大的推动作用，他们发表了多篇针对该技术的理论分析论文 ， 并在 2011年 2月的 Green Touch 技术讨论会上演示了 Massive MIMO 的原型机， 在演示过程中展现 了 Massive MIMO 系统 在节能、干扰抑制等方面的优势和潜力。 1.2.1 国际标准组织 3GPP 研究现状 3GPP 标准化组织目前正在进行 3D-MIMO 信道建模工作，该工作完成后会开展 3D-MIMO的标准化方案设计，后续将根据标准化进展逐步开展更多天线数目的MIMO技术研究工作。 3GPP在 2013年针对 Massive MIMO 进行了一些讨论，如文献 34。文献 3中建议 3GPP对适合 3D MIMO 和 Massive MIMO的信道模型进行立项研究，主要目标是“ Identify the typical usage scenarios of UE-specific beamforming and massive MIMO”，并且对 UE在垂直维 度上的分布以及信道在垂直维度上的特征进行建模。文献 4中建议 3GPP对 Massive MIMO 展开全面的研究，研究内容主要包括： 确定 Massive MIMO典型的天线配置，包括天线数量，天线形态，天线间距 以及 天线的增益图等 ； 研究 Massive MIMO系统适用 的频率范围 ； 研究 eNode-B antenna calibration errors 的 影响 ； 研究适合 Massive MIMO的导频 设计 和反馈技术 ； 分析 实现 Massive MIMO 基站和 UE的复杂度 问题； 评估小区边缘干扰降低和 系统 性能提高效果 ； 分析 Massive MIMO RF 需求与指标等。 1.2.2 国外研究现状 为了形成 5G 产业发展构建基础性的核心技术解决方案，国外的大学和公司近期已经开展了面向第五代移动通信大规模天线协作情况下的有源集成化阵列天线的原型验证开发工作。 2012年，瑞典 Linkiping University 、瑞典 Lund University 和贝尔实验室合作开发了工作于 2.6GHz 的 128 天线阵列，包含两种形式，一个圆形阵列和一个线形阵列，如图 1-2 (a)、 (b)所示。圆形阵列由 128 个天线端口组成。天线阵列由 16 个双极化的贴片天线单元组成，放置在圆柱形载体上， 4 个这样的阵列层叠组成一个大的圆柱形阵列天线。这个阵列的优点不止是结构简单小巧，另外为解决在不同的俯仰角的散射问题方面提供了可能，但是由于口径的限制，在方位面分辨率不高。线性阵列由一个相同的单元位移 128个位置组成一个纯线形阵列。 信道的实测结果表明，当总天线数超过用户数的 10倍后，即使采用 ZF或 MMSE 线性预编码，也可达到最优的 DPC 容量的 98%， 该结果证实了当天线数达到一定数目时，多用户信道具 有正交性，进而保证在采用线性预编码时仍可逼近最优 DPC容量，由此验证了 massive MIMO 的可实现性。 (a)圆柱型阵列天线 (b)线性阵列天线 图 1-2瑞典和贝尔实验室合作开发的 128天线阵列 2012年，在土耳其举行的移动计算与网络大会（ MobiCom 12）上公开报道了世界上第一款真正实现的多天线多用户波束成形系统 Argos， 如图 1-3(a) 、 (b)所示，它是由美国莱斯大学、贝尔实验室和耶鲁大学开发的，工作于2.4GHz 频段。 Argos 由 WARP 板、商用的时钟分配板、商用 PC 和以太网网关组成。在最初的原理样机中，系统包含一个中心控制器、一个 Argos 中心和 16 个模块，每个模块包含 4路射频通道。中心控制器由一台 PC机组成，它利用 MATLAB发送数据、权值、控制命令等射频模块。 Argos 中心由一个 24 端口的以太网网关、一块时钟分配板和一块 WARP 板组成， WARP 板利用 GPIO 管脚提供传输同步复用，同时 WARP板也充当了射频模块。每个射频模块由一块 WARP板、四个射频子板和 4 根天线组成。基站由包含 64 根天线的 16 块 WARP 板组成，它们被安装在一个架子上。 根据对经过波束赋形之后的接收信号、多用户干扰与噪声的实测数据，该系统的和容量可以达到 85bps/Hz，而且在总功率为 1/64的情况下也可以达到 SISO 系统频谱效率的 6.7 倍。 在此基础上， 2013 年莱斯大学又开发了Argos V2。 (a)Argos 正面 (b)Argos背面 图 1-3美国莱斯大学、贝尔实验室和耶鲁大学开发的 Argos天线系统 2013年，丹麦 Aalborg University和贝尔实验室开发了工作于 2.45GHz的96 天线单元的圆柱形阵列和工作于 56GHz 的由 64 根单极子天线组成的矩形阵列 ,如图 1-4 (a) 、 (b)所示。圆柱半径 2.17r ，阵列由 24列单元组成，每列的间隔是 0.55 ，每列由 4个贴片天线组成。 (a)圆柱形阵列 (b)矩形阵列 图 1-4丹麦 Aalborg University 和贝尔实验室开发的 64单元有源天线系统 除了国外大学，韩国 三星 、瑞典爱立信 等公司也都在积极地组织对 3D/FD MIMO与 massive MIMO的研究与原型演示平台开发活动 ， 这些工作都将 为 massive MIMO技术实用化发展的 打下 重要基础。 1.2.3 国内研究现状 中国政府 对 Massive MIMO 技术领域的发展也非常重视。 我国的 5G 研究与标准化组织 IMT-2020 推进组于 2013年底专门成立了大规模天线技术专题组，该组织集中了国内研究院所、运营商、设备商以及高等院校中相关技术领域的核心单位，启动了对面向 5G 的大规模天线技术的研究与标准化工作。此外， 2012年国家重大专项启动了针对 64 天线的 3D-MIMO 技术的研究项目立项工作， 2014 年863计划启动了针对 128 256天线的 massive MIMO 技术（ 1期）的立项工作，并将在后续的 2期及 3期阶段中持续推动该技术的研究、验证与标准化工作。 国内对于大规模天线研究主要进行的是信道建模、信道估计 、传输技术的研究，如华为、清华、北邮等，一些设备商和运营商也展开了大规模天线样机的开发。比如：大唐电信开展了 2013 国家科技重大专项 3D-MIMO 技术研究与验证方面的工作，其采用 64 通道的二维平面天线阵，如图 1-5 所示。在国家 863 计划项目高效能 5G无线传输关键技术研发中，拟开发 8套每套支持 16个天线单元的分布式天线和 1 套支持 128 天线单元的集中式大规模天线，该项目于 2014 年 1月至 2016年 12月实施。 图 1-5 64通道的二维平面天线阵电路结构图 中兴通讯也正在进行 256天线 Massive MIMO原型机的开发验证，采用基带数字波束成形和射频波束成形两种波束赋形技术，预计原型机推出时间为 2015年。中电 54所也对 Massive MIMO的关键技术展开了研究，包括大规模新型天线系统架构、宽带小型化天线辐射单元，小型化一体化射频收发单元、基于强电磁耦合不规则布阵情况下的方向图成形算法、大规模天线协作系统分步式数字信号后处理及评估测试等关键技术，近期将推出原理样机。另外，中国移动对 Massive MIMO 系统中的关键技术也展开了多方面的研究，包括多场景中的新型信道建模研究、支持大规模天线的创新传输方 案研究、高效能、低成本、实用化、可扩展的灵活部署方案和系统性能仿真评估，具体关键技术包括：波束成形、预编码、空时码 /信号处理等方案、大规模天线协作与干扰消除算法、天线校准与分布式处理算法、基于手机射频芯片的基站射频系统设计、新型射频功放研究、有源天线硬件设计与工艺、天线部署方案研究、不规则天线阵列的优化算法研究等，并与相关设备厂商合作开展 3D-MIMO的样机研制和大规模天线演示验证系统。 基 带板 1基 带板 2基 带板 3R R U 1A r r a y ( 1 , 1 )A r r a y ( 1 , 8 )R R U 2A r r a y ( 2 , 1 )A r r a y ( 2 , 8 )R R U 3A r r a y ( 3 , 1 )A r r a y ( 3 , 8 )R R U 4A r r a y ( 4 , 1 )A r r a y ( 4 , 8 )R R U 5A r r a y ( 5 , 1 )A r r a y ( 5 , 8 )R R U 6A r r a y ( 6 , 1 )A r r a y ( 6 , 8 )R R U 7A r r a y ( 7 , 1 )A r r a y ( 7 , 8 )R R U 8A r r a y ( 8 , 1 )A r r a y ( 8 , 8 )F i b e r 1F i b e r 2F i b e r 3F i b e r 4F i b e r 5F i b e r 6F i b e r 7F i b e r 8功 率 合 成/分 配 器C A LC A L ( 1 , 1 )C A L ( 1 , 8 )C A L ( 2 , 1 )C A L ( 2 , 8 )C A L ( 3 , 1 )C A L ( 3 , 8 )C A L ( 4 , 1 )C A L ( 4 , 8 )C A L ( 5 , 1 )C A L ( 5 , 8 )C A L ( 6 , 1 )C A L ( 6 , 8 )C A L ( 7 , 1 )C A L ( 7 , 8 )C A L ( 8 , 1 )C A L ( 8 , 8 )第 二章 Massive MIMO 测量与建模方法 2.1 Massive MIMO信道建模方法 为了实现 Massive MIMO 信道建模，一方面要实现天线阵列模型的 3D化，并将天线阵元同时拓展到水平及垂直维度以实现天线阵元的 大规模化 ；另一方面从传播信道的角度考虑，摒弃现有模型 2D 空间传播的假设，还原信号的真实传播机制，将垂直角信息应用于参数化的多径分量，完成 3D 传播机制的建模。以 2D 信道模型为基础，将 3D 大规模天线阵列模型与 3D 空域大尺度模型合理的融入现有模型中，实现 Massive MIMO信道建模。 天线阵列建模 : 在天线阵列 建模方法上，一方面要考虑天线 阵元 在 3D空间 上 天线 增益，同时也要建模出可以在水平 、垂直 两个维度同时 拓扑 的 天线 阵列。 Massive MIMO 的应用主要 分为集中式 （ centralized antennas） 与分布式（ distributed antennas）两类 ， 如 图 2-（ a） 所示。对于集中式 大规模天线系统，所 建议 的大规模天线阵列主要 包括在 传统 线性 天线阵列基础上扩展的大规模 线性 天线阵列 （ ULA： linear antenna array），在水平 和 垂直 两个空间 维度同时扩展的 矩形 平面 天线阵列（ rectangular antenna array ）和 圆柱天线 阵列 （ cylindrical antenna array）。 而对于 分布式大规模天线系统 ， 其天线阵列模型可以沿用 考虑 3D阵元 响应的传统线性 天线 阵列模型 。 大尺度 参数 建模 : 对于分布式天线 的 大尺度参数建模 要考虑 3D 空间 传播特性参数的建模 ，主要针对垂直维度传播特性的建模 ， 包括 角度 扩展值 建模 ，大尺度相关 性 建模以及簇参数建模 。 而对于 集中式 天线除了要 考虑上述 因素外 还需要 考虑 空间 参数的非平稳特性 。 由于 天线尺寸的增加， 特别是针对大规模线性天线阵列 ，使得 信道空间特性平稳 （平面波 ） 的假设 不再成立， 各个 天线阵元所观测到的散射体不同，其所受到的阴影衰落也不再相同 ， 如 图 2-（ b）所示。 因此 在对此类天线 阵列进行 信道建模时考虑信道的非平稳特性 ，将阵列 划分为 若干 簇可见（ 平稳 区 ） ， 在每个区间上 仍以 平面波假设 进行建模 。而对于 在水平 垂直 两维度 同时增加 阵元数 的 3D 天线 阵列， 其 天线 在 两个维度的 尺寸并不足以 引起空间非平稳特性，因此对于此类天线阵列只需在信道模型 中考虑 3D 大尺度 参数的建模。 Dist ributi edLine arCyli ndrica lRect angu la r（ a） 大规模 天线系统示意 图 A n t e n n a a r r a y用户 1用户 2将大尺寸天线阵列划分为多个平稳区对大尺寸天线阵列平面波假设不再适用（ b） 大规模 线性天线阵列 信道建模 示意图 图 2-1 大规模 天线系统 与大规模 线性天线阵列 信道建模 示意图 值得注意的是： Massive MIMO 天线大尺寸造成的空间特性不平衡，但在实际测试中，这种不平衡特性只在大量天线（例如： 128 天线 错误 !未找到引用源。 ）排布同一纬度上时发生。在实际天线架设中，天线在平面阵上排布，单一维度的天线尺寸没有那么大。因此，天线尺寸的不平衡特性，我们这里只作分析，并作为后续 Massive MIMO信道扩展。 3D MIMO 信道模型建模方法： 按照传统 2D 信道模型 错误 !未找到引用源。 ，基于几何统计信道建模的思想去分析，无线通信单链路在二维空间下的衰落信道模型可以如 图 2-所示。