面向IMT-2020的大规模天线技术

苏昕 大唐无线移动创新中心技术专家

孙韶辉 大唐无线移动创新中心总工程师

康绍莉 大唐无线移动创新中心技术专家

苏进 喜大唐移动通信设备有限公司技术专家

蔡月民 大唐移动通信设备有限公司总工程师

面向IMT-2020的大规模天线技术

苏昕 大唐无线移动创新中心技术专家

孙韶辉 大唐无线移动创新中心总工程师

康绍莉 大唐无线移动创新中心技术专家

苏进 喜大唐移动通信设备有限公司技术专家

蔡月民 大唐移动通信设备有限公司总工程师

从技术原理、关键技术研究和标准化发展情况等方面对大规模天线技术进行了整体的概述。在此基础之上，结合工信部5G技术研发试验第一阶段测试工作的开展情况，对大唐电信集团重点参与的大规模天线设备和5G基站验证平台设计方案进行了探讨，对大规模天线技术的测试方案与测试结果进行了分析与说明。最后，对大规模天线技术的后续研究和标准推进、设备开发和试验验证等工作方向进行了展望。

IMT-2020；5G；MIMO；massive MIMO

1 大规模天线技术概述

高速无线数据接入业务与用户数量的迅速增长，需要更高速率、更大系统容量的无线链路的支持，而决定无线链路传输效能的最根本因素在于信道容量。多天线信息理论证明了在无线通信链路的收、发两端均使用多个天线的通信系统所具有的信道容量将远远超越传统单天线系统信息传输能力极限。多天线信息理论为MIMO技术的发展提供了坚实的理论基础，展现了其在高速无线接入系统中的广阔应用前景。

由于多天线技术在提升峰值速率、系统频带利用效率与传输可靠性等方面的巨大优势，该技术目前已广泛地应用于几乎所有主流的无线接入系统中。对于构建在OFDM+MIMO构架之上的LTE系统而言，MIMO作为其标志性技术之一，在LTE的几乎所有发

展阶段都是其最核心的支撑力量之一。MIMO技术对于提高数据传输的峰值速率与可靠性、扩展覆盖、抑制干扰、增加系统容量、提升系统吞吐量都发挥着重要作用。

MIMO技术的性能增益来自于多天线信道的空间自由度，因此MIMO维度的扩展一直是该技术标准化和产业化发展的一个重要方向。随着数据传输业务与用户数量的激增，未来移动通信系统将面临更大的技术压力。在这一技术发展背景之下，大规模天线理论应运而生。

根据概率统计学原理，当基站侧天线数远大于用户天线数时，基站到各个用户的信道将趋于正交。这种情况下，用户间干扰将趋于消失，而巨大的阵列增益将能够有效地提升每个用户的信噪比，从而能够在相同的时频资源共同调度更多用户。

MassiveMIMO技术理论的出现以及有源天线技术在商用移动通信系统中应用条件的日益成熟，为MIMO维度的进一步扩展奠定了理论和可实现性基础，为MIMO技术进一步向着大规模化和3D化方向的发展创造了有利条件。

在实际应用中，通过大规模天线阵列，基站可以在三维空间形成具有高空间分辨能力的高增益窄细波束，能够提供更灵活的空间复用能力，改善接收端接收信号并更好地抑制用户间的干扰，从而实现更高的系统容量和频谱利用效率。

大规模天线技术的潜在应用场景包括：集中式覆盖、高层建筑、异构网络场景、室内外热点以及郊区、无线回传链路等。此外，以分布式天线的形式构建大规模天线系统也可能成为该技术的应用场景之一。在需要广域覆盖的场景，大规模天线技术可以利用现有频段。在热点覆盖或回传链路等场景中，则可以考虑使用更高的频段。由于频段直接决定了天线系统的尺寸，高频段的应用对于大规模天线阵列的小型化与实际网络部署十分有利。而在高频段中，也需要大规模天线系统所提供的高波束增益来弥补传播环境中非理想因素的影响。可以预见的是，大规模天线技术在实际应用中将会与高频段技术紧密结合。

2 大规模天线技术研究和标准化推进进展

MassiveMIMO的理论研究结论及初步性能评估、验证结果为我们描绘出了该技术在未来移动通信系统中的美好发展前景。鉴于MassiveMIMO技术对于提升系统性能的巨大潜力，包括ITU、3GPP、欧盟的METIS、5G-PPP、韩国的5G Forum、我国的IMT-2020（5G）推进组和FuTURE等研究和标准化组织也都将大规模MIMO技术作为5G系统最重要的基础技术之一，并纷纷展开了相应的研究工作。

需要注意的是，尽管学术界已经对这一技术进行了较为广泛的研究，在MassiveMIMO技术从理论研究转向标准化、实用化的重要转折时期，仍然存在若干关键技术问题需要进一步深入研究：

（1）MassiveMIMO应用场景的研究与建模

MIMO技术方案的性能增益与应用场景和部署环境具有非常密切的关系，因此有必要结合下一代移动通信系统的部署场景与业务需求，有针对性地研究MassiveMIMO的适用场景，并对其典型的应用场景及信道特性进行信道参数的测量与建模。这一工作将为MassiveMIMO的天线选型、技术方案设计与标准方案制定提供方向性的指引，同时针对典型应用场景基于实测的信道参数建模也将为准确地构建技术方案评估体系，并准确地预测技术方案在实际应用环境中的性能表现提供了重要依据。

针对上述问题，3GPP R12中首先完成了针对6GHz以下频段的3D化的信道及应用场景建模工作。基于上述框架及高频段信道的实测结果，R14中对6～100GHz频段的信道和应用场景进行了建模。结合IMT-2020系统性能评估需求，ITU正在对相关模型进行进一步扩展和完善。

（2）面向异构和密集组网的Massive MIMO组网方案

为了应对业务需求的迅速发展，C/U分离、分布式前端/云计算、超蜂窝、网络功能虚拟化等新型网络构架随之出现，而未来移动通信系统的接入网也逐渐向着异构化与密集化的方向发展。这种情况下，Massive MIMO技术方案的设计思路应当顺应新型的网络构架与组网方式的发展趋势，并与之有机地融合在一起，这样才能充分地体现出Massive MIMO技术的性能优势。随着天线规模的增大以及新型网络构架和组网方式的出现，大规模天线的多用户、多小区调度和协作技术方案将面临更加复杂的部署场景、干扰环境以及更

为复杂的校准与能效优化问题。而天线规模的增加对调度、协作、校准以及回程链路的设计都提出了更为严苛的要求。这些都将是MassiveMIMO技术步入实用化和标准化过程中需要面对的重要问题。

（3）MassiveMIMO物理层关键技术

天线阵列规模的增大带来了可利用空间自由度的大幅度提高，为支持更大的用户数量与更高的频谱利用率创造了有利的条件。然而，MIMO维度的大幅度扩展与用户数量的激增也为相应的物理层技术方案设计提出了前所未有的挑战。

●波束赋形技术：MassiveMIMO的性能增益主要是通过大规模阵列构成的多用户信道间的准正交特性保证的。然而，在实际的信道条件中，由于设备与传播环境中的诸多非理想因素的存在，为了获得稳定的多用户传输增益，仍然需要依赖下行发送与上行接收算法的设计来有效地抑制用户间乃至小区间的同道干扰。而传输与检测算法的计算复杂度则直接与天线阵列规模和用户数相关。此外，基于大规模阵列的预编码/波束赋形算法与阵列结构设计、设计成本、功率效率和系统性能都有直接的联系。因此针对Massive MIMO的传输与检测方案的计算复杂度与系统性能的平衡将是该技术进入实用化的首要问题。

●信道测量与反馈技术：由于信道状态信息测量、反馈及参考信号设计技术对于MIMO技术的重要意义，这一领域历来都是MIMO技术标准化讨论的核心内容，针对这一问题的研究、评估验证和标准化方案设计对于MassiveMIMO技术实用化发展都具有极其重要的意义。

●覆盖增强技术以及高速移动解决方案：天线规模的扩展对于业务信道的覆盖将带来巨大的增益，但是对于需要对全小区内所有终端进行有效覆盖的广播信道而言，则会带来诸多不利影响。除此之外，MassiveMIMO还需要考虑在高速移动场景下，如何提供信号的可靠的高速率传的问题。在这种场景下，MassiveMIMO系统面临的最大挑战是信道信息的剧烈时变性。此时，对信道信息获取依赖度较低的波束跟踪和波束拓宽技术，可以有效利用MassiveMIMO的阵列增益提升数据传输可靠性和传输速率，值得我们进一步探索。

●多用户调度与资源管理技术：MassiveMIMO为无线接入网络提供了更精细的空间粒度以及更多的空间自由度，因此基于MassiveMIMO的多用户调度技术、业务负载均衡技术以及资源管理技术将获得可观的性能增益。

（4）大规模有源阵列天线技术

MassiveMIMO前端系统从内部射频通道结构上可分为数字阵和数模混合阵两大类。当天线数很大时，采用传统的全数字架构势必带来巨大的复杂度、功耗以及成本的上升。尤其在高频段，混合的阵列架构将具有很大的应用潜力。天线子系统的设计方案对移动通信系统的构架、设备的尺寸、硬件成本以及网络部署都会带来影响。对于MIMO技术而言，更是要依赖于天线阵列所带来的空间自由度，才能展现其性能优势。随着天线设计构架的演进，AAS技术的实用化发展已经对移动通信系统的底层设计及网络结构设计思路带来巨大影响，这一发展趋势必将推动MIMO技术由传统的针对2D空间的优化设计向着更高维度的空间扩展，并为MassiveMIMO技术的实际应用提供重要的技术基础。大规模有源阵列天线的构架研究、高效、高可靠、小型化、低成本、模块化收发组件设计、高精度检测与校准方案设计等关键技术问题将直接影响到基于大规模天线的MassiveMIMO技术在实际应用环境中的性能与效能，并将成为直接关系到MassiveMIMO技术是否能够最终进入实用化阶段的关键环节。

在已经完成的3GPPR13版本中，3GPP已经定义了能够支持最多16个端口的FD-MIMO方案。R14中则进一步将eFD-MIMO的端口数提升至32个，并支持非周期CSI-RS、上行DM-RS增强等新技术方案。上述FD/eFD-MIMO技术可以被认为是MassiveMIMO技术进入标准化的初级阶段。在针对NR（NewRadio）的研究项目中，3GPP正在进一步研究多达256～1024个天线阵子的大规模天线系统。TDD系统对于大规模天线的实现具有先天优势，在标准演进中一直是非常重要的技术方向。除了天线规模的扩大，NR将会从帧结构、导频优化、反馈机制、波束管理波束扫描、灵活参数集合设计等方面持续扩展大规模天线技术方案的功能，以获得频谱效率和系统容量的有效提升。可以预见，这一技术也将成为R15及其后续版本标准化过程的热点。

3 大规模天线技术试验

我国政府对于大规模天线技术的研究和推进工作非常重视，陆续设立了多项863和国家科技重大专项课题支持相关工作的展开。2013年成立的IMT-2020（5G）推进组中，专门设立了大规模天线技术专题组，负责组织企业和科研院所进行大规模天线关键技术研究、系统方案设计和推进工作。

在上述研究工作基础之上，工信部制定了我国的5G技术研发试验工作总体规划，进一步将大规模天线技术等IMT-2020系统的重要支撑技术推向实用化发展道路。根据这一总体规划，5G技术试验工作将分两步走：

第一步主要由中国信息通信研究院主导，运营企业、设备企业及科研机构共同参与，在2015—2018年期间会分3个阶段开展工作：第一阶段已在2016年9月基本完成，这一阶段主要针对5G的重点关键技术，对大规模天线、新型多址、新型多载波、高频段通信等7项无线关键技术及4项网络关键技术进行了单点的样机性能和功能验证；第二阶段将在2016年6月—2017年9月期间展开工作，这一阶段将会融合多种关键技术，开展单基站性能测试；第三阶段是2017年6月—2018年10月，这一阶段将会对5G系统的组网技术性能进行测试，并且对5G典型业务进行演示。

2018 —2020 年间，在第一步技术研发工作基础之上，第二步工作将是针对产业化需求，进行针对产品研发的试验验证。这一步将会由运营商来主导，最终将为5G系统的商用奠定基础。

在上述计划中，大规模天线是大唐在5G第一阶段的测试中重点参与的无线技术。大唐测试采用的5G基站验证平台支持业界规模最大的256天线有源天线阵列，在3.5GHz频段的100MHz带宽上，支持20个数据流的并行传输，频谱效率达到4GLTE系统的7～8倍以上。

3.1 5G基站验证平台

大唐参与本次测试的5G基站验证平台为传统的宏基站分布式架构，即BBU+射频拉远单元的设备形态。其中，射频单元AAU为128通道256天线有源天线阵列，射频工作带宽支持3.5G频段200MHz，每通道发射功率1W，AAU整体发射功率128W，AAU如图1所示。

128通道256天线的AAU样机设计，可以在保证天线增益的同时，降低天线体积、功耗、成本，更利于后续大规模天线阵列的产业化和实用化。天线阵内部以8通道为基本单元，可灵活配置，易于支持双极化和垂直分裂。大规模有源天线阵的通道数量、水平和垂直维度阵元数量设计的考虑了如下几点原则：

（1）有源天线阵列中的阵元分布，以1+1双极化振子为基本单位，采用水平方向8垂直方向16的数量分布。

（2）采用128通道/256天线，射频通道的数量降低一半，可以大幅度降低有源天线的整体成本。

（3）一个射频通道驱动在垂直方向两个相同极化方向的阵元，考虑是不增加水平方向天线阵列的尺寸。因为一般天线是安装于铁塔或楼顶平台，水平方向空间受限，实际工程安装有困难。

（4）在垂直方向组阵，可以更好利用天线阵在垂直方向的增益，提高垂直方向的波束扫描能力和空分复用能力，发挥大规模天线的技术优势。大规模天线阵元排列情况如图2所示。

5G基站验证平台的基带处理池BBU的一个机架由多个机框构成，每一个机框为一个完整的BBU处理基本单位。单框支持128天线40M的基带处理能力，多框可灵活扩展联合处理200M带宽，BBU基带处理池如图3所示。

BBU基带处理池包含网络处理单元、天线处理单元和流处理单元。其中，网络处理单元实现AP、RRC、PDCP、RLC等协议处理、系统同步和管理功能；流处理单元实现基站侧MAC层调度和多用户配对、物理层信道编码、调制、预编码、上行译码等处理功能。天线处理单元实现IFFT/FFT、信道估计、检测与均衡、多用户多流波束赋形等处理功能；基带处理单元采用业界多核处理器、高性能DSP、大容量FPGA等主流器件。

3.2 大规模天线测试方案与测试结果

图1 256天线AAU

图2 大规模天线阵元排列图

相对于传统的八天线，大规模天线测试从验证场景和技术方案上都提出了更高要求。为了更加全面地验证大规模天线空口能力，需要在验证场景中充分考虑水平维度和垂直维度的可测性和可观测性，因此对于测试场地的选取需要兼顾水平角度、垂直高度、信号覆盖、终端分布以及空间隔离等各方面因素，同时根据

5G大规模天线系统的设计原理，测试结果会对终端数量、分布密度和摆放位置有较强的相关性。

图3 5G基站验证平台示意图

5G第一阶段测试中，大唐在3.5GHz频段的100MHz信号带宽上分别完成了实验室环境和室外空

口环境的性能测试。基站采用多机框多板卡堆叠形式，通过多组光纤与室外AAU系统相连，AAU系统平台可实现垂直距离手动升降，便于验证观察垂直维度信号覆盖效果。垂直场景测试选择天线正面面对的大楼建筑4层室外平台作为立体覆盖观测点，使天线对楼前地面、楼侧面地面覆盖、楼上4层平台形成完整3D覆盖模型加以验证。测试用例主要包括以下几个方面的性能验证：

（1）大规模天线覆盖下终端的水平维度分布和垂直维度分布的性能验证如图4所示。在该测试用例中，多个终端都位于好点（SINR＞15dB），相邻终端之间间距在2m以上，观察该场景下大规模天线系统所能达到的峰值吞吐量。

图4 水平分布与水平+垂直场景外场测试图

（2）如图5所示，对终端分散和密集分布的性能对比验证。通过对比，观察大规模天线系统在终端密集和分散分布时的性能差异。

图5 密集分布场景外场测试图

（3）对终端在小区中均匀分布情况下的性能验证。按照测试规范要求，基于终端测量的SINR选择好点、中点、差点3个位置区域，10部终端以3：4：3的比例分布放置，观察此时所能达到的扇区内的系统平均吞吐量。

整个场景验证测试的验证数据与预期结果近似。在室外空口几乎无外界无线电波干扰的情况下，单用户双流的峰值吞吐量为478Mbit/s。所有测试终端都位于信号覆盖极好点且用户间距离大于2m以上，10用户全部水平分布和10用户水平加垂直立体分布的两种情况下，测试的总吞吐量都达到了4Gbit/s的结果。在用户好中差均匀分布情况下，系统总吞吐量达到2.5Gbit/s。在10个用户密集分布在20m范围内的好点环境下，系统总吞吐量达到3Gbit/s的吞吐量，相比分散分布情况下结果有所降低，符合理论预期。

通过第一阶段的大规模天线单点技术测试，验证了大规模天线技术实现了多用户空分复用和波束赋形技术，大幅提升系统频谱效率和峰值吞吐量，取得了阶段性成果，充分证明了大规模天线是5G最重要的技术之一。

4 后续工作展望

大规模天线技术为系统频谱效率、用户体验、传输可靠性的提升提供了重要保证，同时也为异构化、密集化的网络部署环境提供了灵活的干扰控制与协调手段。目前，MassiveMIMO理论研究为MIMO技术的进一步发展提供了有力支持，数据通信业务飞速发展则为推动MIMO技术的继续演进提供了强大的内在需求，而相关实现技术的日渐成熟则为MassiveMIMO技术的标准化、产业化提供了必要的条件。随着一系列关键技术的突破以及器件、天线等技术的进一步发展，设备发射功率、功放效率、设备体积重量等指标将持续提升以满足大规模商用的需求。在上述基础之上，MassiveMIMO技术必将在5G系统中发挥重大作用。

基于前期的技术研究积累，在工信部5G技术研发试验的总体规划下，大唐顺利完成了工信部的5G技术研发试验第一阶段测试，并正在积极为二阶段测试工作的开展进行准备。5G二阶段测试是面向应用场景的系统性能验证测试，其中在最重要的连续广覆盖场景中，大规模天线技术是被采用的最主要的关键技术手段，将结合新空口新编码等技术来满足系统频谱效率、用户峰值速率，系统峰值吞吐量、覆盖距离等极限

性能指标。

上述工作的开展，将进一步有力推动大规模天线技术的标准化和实用化发展，并将为日后的产业化进程奠定良好基础。

[1]3GPPTR 36.873.3D Channel Model for LTE.

[2]3GPP TR 38.900.Channel Model for Frequency Spectrum above 6 GHz.

[3]RP-160671.Study on New Radio Access Technology.NTT DOCOMO.

[4]3GPP TR 38.913.Study on Scenarios and Requirements for Next GenerationAccess Technologies.

Large scale antenna technology for IMT-2020

SU Xin,SUN Shaohui,KANG Shaoli,SUN Jinxi,CAI Yuemin

This article from the technical principle,the key technology research and the standardization development situation and so on aspect has carried on the overall summary to the large-scale antenna technology.On this basis, combined with the test work in the first phase the Ministry of research and development of 5G technology to carry out the test,the design scheme of large-scale antenna equipment and the 5G base station platform Datang Telecom Group focus on participation is discussed,test scheme of large-scale antenna technology and the test results are analyzed and explained.Finally,the future research and standard propulsion,equipment development and test verification of large-scale antenna technology are discussed in this paper.

IMT-2020;5G;MIMO;MIMO massive

2016-10-26）