3D MIMO的标准化进展

焦慧颖　中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师刘　鹏　中国舰船研究院高级工程师邢　梅　中国人民解放军中部战区第一通信团工程师



标准之窗

3D MIMO的标准化进展

焦慧颖中国信息通信研究院技术与标准研究所高级工程师
刘鹏中国舰船研究院高级工程师
邢梅中国人民解放军中部战区第一通信团工程师

有源天线的引入使得多天线技术在垂直方向进行波束赋形成为可能，3GPPR12阶段进行了3D MIMO信道建模的研究，并于R13阶段启动垂直波束赋形/全维MIMO的研究工作，在此基础上开展了3D MIMO的标准化工作。本文介绍了3D MIMO的标准化进展情况。

垂直维波束赋形；全维MIMO；CSI进程

1　引言

3GPPR11对3D MIMO的信道模型进行了研究工作。在此基础上，R12首先对3D MIMO的传输机制进行了研究，评估最多64端口的3D MIMO的性能，研究相关的增强方案，然后启动3D MIMO的标准化工作，支持最多16端口。

研究阶段的评估分为两个阶段：阶段一，明确天线配置及评估场景，评估使用3D信道模型下R12下行M IMO的性能；阶段二，研究增强方案，并评估标准化增强带来的好处，同时研究设计原则，明确标准化影响。

评估场景分为同构网场景和异构网场景，具体场景如下：

（1）同构网场景

●场景1：3D-UMa，ISD为500m。

●场景2：3D-UMa，ISD为200m。

●场景3：3D-UMi，ISD为200m。

（2）异构网场景（按优先级由高到低排序）

●场景4：非同频段情况，宏小区和小小区使用不同载波频率。

●场景5：同频段情况，小小区不使用Elevation Beam forming/FD-MIMO。

●场景6：同频段情况，小小区使用Elevation Beam forming/FD-MIMO。

如图1、2所示，采用的天线配置为双极化天线，天线阵列模型（M、N、P）中的M表示每列同极化的天线阵元数，N表示天线阵元的列数，P表示极化的方向数。收发单元称为TXRU，它的虚拟化模型是一个TXRY与相同极化方向的一组天线阵元项链，这组阵元之间可以使用模拟波束复兴，TXRY与数字基带处理项相连，可独立控制幅度和向往，类似于天线阵列模型，TXRU的配置也用（（MTXRU、NTXRU、P）来表示。TXRU的虚拟化包括一维和二维虚拟化，其中一种是子阵列分组模型，另外一种是全连接模型。

图1　子阵列分级模型

经过研究表明，3D MIMO的增强有基于实现的增强方案，也有基于标准化的增强方案。基于实现的增强方案有以下几种类型：

图2　全连接模型

●类型1

是扇区化（每个小区有不同的Cell ID），可以进行水平维或垂直维度单方向扇区化，也可进行二维扇区化，多个扇区共享同一天线阵列，每个扇区最多8个CSI-RS端口，与R12一致，每个终端只连接到一个扇区，具体的实现方式如图3、4所示。

图3　全连接TXRU虚拟化实现的扇区化1

图4　基带实现的扇区化1

●类型2

是每个小区有相同ID的扇区化，同样可以进行水平维或垂直维度单方向扇区化，或二维扇区化，每个扇区使用一个CSI-RS资源，多个扇区共享同一天线阵列，每扇区最多8个CSI-RS端口。具体实现方式如图5、6所示。

图5　全连接TXRU虚拟化实现的扇区化2

图6　基带实现的扇区化2

●类型3

是基于2个CSI进程的Kronecker预编码，水平维和垂直维分别使用一个CSI-RS资源，分为水平维的CSI-RS端口和垂直维的CSI-RS端口，在这种方案中为每个UE配置2个CSI进程，分别对应水平维CSI-RS资源和垂直维CSI-RS资源。基站根据UE反馈的水平维和垂直维预编码信息形成2D预编码，采用Kronecker结构。

●类型4

是TDD系统的基于SRS的预编码，为天线阵列配置一个CSI-RS资源，为一个UE配置一个CSI进程，配置UE不反馈PM I/RI，终端通过CSI-RS端口测量基于TxD的CSI，并且基于信道互易性，基站根据SRS确定波束赋形和预编码。

基于标准化的方案有几个方面，最重要的方面是CSI-RS和反馈增强方面，分别针对几种方案进行增强，比如基于波束赋形的CSI-RS的方案、基于无预编码CSI-RS方案、基于混合波束赋形CSI-RS和无预编码CSI-RS方案和TDD基于无码本的CSI上报方案。另外，一些需要标准化的点有DM RS的增强和RRM测量的增强。

2　3D MIMO的传输机制

针对上述研究阶段得出的标准化的点，在WI阶段作了相应的标准化工作，3GPPR13将CSI-RS端口扩展为12/16个，并且是2维分布，是由基站的64根物理天线经过TXRU虚拟化和CSI-RS端口虚拟化后映射得到（见图7）。

图7　12和16天线端口配置

3D MIMO的传输机制分为两种类型，一种类型（Class A）是基于码本的方式，另外一种（Class B）是波束赋形。Class A的CSI-RS资源是配置K个CSI资源，并且满足累计共12，16个CSI-RS端口，码本结构仍旧沿用W=W1W2的架构，但是要针对3DM IMO进行优化。Class B的波束赋形分为小区专用级别和UE专用级别两种。

3　CSI-RS端口设计

Class A的8、12或16个CSI-RS端口，均同属一个CSI进程（CSI process），由现有的K个CSI-RS配置累积构成，每个CSI-RS配置包括N个端口，8个CSI-RS端口对应（N，K）=（8，1），16个CSI-RS端口对应（N，K）= （8，2），12个CSI-RS端口对应（N，K）=（4，3）。

为了支持12和16CSI-RS端口的3D MIMO，需要在现有CSI-RS的基础上扩展到12和16端口，将扩频（CDM）的码字扩展到4来支持更多端口，为了保持后向兼容的终端也可配置CSI-RS资源，所以同时支持CDM-2和CDM-4。

12和16端口CSI-RS的设计如图8所示。

为解决一些TDD配置下可用发送CSI-RS的资源少的问题，DwPTS子帧支持CSI-RS，支持2/4/8/12/16个CSI-RS端口。采用搬移的方式，UE根据指示的CSI-RS配置index和子帧类型决定CSI-RSRes的位置，但是和PSS交叠的OFDM符号上的CSI-RS REs是不能用的（见图9）。

4　类型A的码本设计

8，12，16个CSI-RS端口码本的预编码矩阵W表示为W= W1W2，这里

其中，X1是N1×L1维矩阵，L1个列向量为O1倍过采样的长度为N1的DFT向量，X2是N2×L2维矩阵，L2个列向量为O2倍过采样的长度为N2的DFT向量，N1、N2分别是每个极化方向上第1维、第2维的天线端口数。

图8　12端口CSI-RS和16端口CSI-RS设计

图9　DwPTS的CSI-RS设计

3GPPR13定义了可配置码本，RRC信令需要配置5个参数，（N1，N2），（O1，O2），Config=｛1，2，3，4｝，通过设定Config，确定码本子集（Rank1～2）。（N1，N2），（O1，O2）参数配置如表1所示。

表1　（N1,N2），（O1,O2）参数配置

4种码本的设计思路如表2所示。

5　类型B的波束赋形

表2　4种码本配置的设计方案

类型B是波束赋形方案，多个波束的CSI-RS的配置可以分为小区级波束赋形CSI-RS（Cell-specific Beamformed CSI-RS）和用户级波束赋形CSI-RS （UE-specific Beamformed CSI-RS），UE选择最优波束，报告最优波束以及码本的反馈和CSI报告。

类型B的一个CSI进程也是由现有的K个CSI-RS配置累积构成，K=1可以实现用户级波束赋形CSI-RS，K>1可以实现小区级波束赋形CSI-RS。K=｛1，2，…，8｝，N1+…+NK≤Ntotal（Ntotal可能的取值8、12、16、32、64，与UE能力有关）。

如果给终端配置小区级CSI-RS，CSI-RS的进程数大于1，每个进程可以配置的端口数为=｛1，2，4，8｝，通过配置K个R12的NZP CSI-RS资源，让终端分别测量每个资源上面的信息，通过反馈波束指示CRI来指示选择的波束所对应的CSI-RS资源，对于选择的波束k，反馈Nk个端口的R12码本。

而如果是给UE配置UE专用的CSI-RS资源，CSI的进程数为1，该进程的端口数，NK=｛1，2，4，8｝，给终端配置一个R13的NZP CSI-RS资源，CSI码本分为两种反馈方式，一种是按照传统R12方式反馈，另外一种是只反馈W 2码本。

图10、11给出了Cell Specific波束赋形和UESpecific两种反馈方式的示意图。

6　测量受限

测量受限（Measurement Restriction，MR）指示每个UE的NZPCSI-RS和CSI-IM的测量边界，通过RRC信令设置，包括信道测量受限（Channel MR），和干扰测量受限（Interference MR），信道测量受限仅适用于类型B，干扰测量受限同时适用于类型A和类型B。测量受限在一个CSI进程中测量一个CSI-RS资源或CSI-IM资源，同时适用于周期和非周期CSI报告。

图10　小区专用CSI-RS波束赋形

图11　UE专用CSI-RS波束赋形

7　DMRS的增强

如图12所示，R12 MU-MIMO的DMRS是2个OCC=2的正交DMRS端口7、8，并且通过扰码ID来支持最多4个Rank1的用户配对，最多两个rank2的用户配对。R13对此做了进一步增强，支持4个OCC=4的正交DMRS端口7、8、11、13。

图12　DM RS增强

在DCI Format 2C和DCI Format 2D中增加1比特区分OCC=2或者OCC=4，具体参见表3。

8　SRS的容量增强

给R13UE引入新的RRC参数来决定UpPTS符号的长度，新增加的UpPTS符号不超过6，而DwPTS的符号数目还是和SIB1中配置的数目相同。

增加SRS的Combs数目到4，而最大的CS数目是12，因此要引入新的RRC信令来时能RPF4，UE Speci fic参数Tansm issionComb或者Transmission Comb-ap扩展到2bit来指示4个Comb，在现有3bit信令上新增一个信令来指示12个Cyclic Shift。

9　结束语

3D MIMO的标准化工作于2015年12月底结束，将天线端口扩展到2维的8、12和16端口，标准化了两种类型的传输机制，包括非预编码的CSI-RS（Class A）和波束赋形的CSI-RS（Class B），非预编码的CSI-RS设计了12和16端口的CSI-RS以及4种可配置的码本，波束赋形的CSI-RS包括小区专用和终端专用CSI-RS配置，同时针对多用户MIMO进行了DM RS的增强以及扩大容量的SRS增强。3D MIMO标准化的顺利完成为未来5G大规模天线阵列奠定了坚实的基础。

［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比特区分OCC=2或者OCC=4

2016-06-10）