FDD Missive MIMO物理层设计方案及实现*

游 佳

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518055）

0 引 言

随着LTE用户数的增加和消费者习惯的转变，为了应对智能手机广泛应用带来的移动数据爆炸式增长对现网容量的吞噬，移动运营商在有限的频谱资源下，急需引入新的手段提升系统容量和数据流量。其中，大规模MIMO（Massive MIMO）是提升LTE网络容量和覆盖的有效方法之一。通过大规模阵列天线和高阶空分复用技术，在不改变现网架构、无需租借新的频谱资源的前提下，可以提高小区频谱利用率和小区吞吐量，并且提供高层建筑的覆盖。

1 方案设计原理

FDD Massive MIMO将5G的技术提前应用到4G，通过大规模天线阵列和波束赋形，可以使不同用户共享相同的频谱资源，提升频谱效率。

本方案的基本流程描述如下：

（1）基站侧预置水平方向7个4天线波束，垂直11个间隔2°的2天线波束。

（2）CSI-RS[1-3]（Channel-State Information， 信 道状态参考信号）根据配置周期，在不同时刻轮询使用不同的水平波束权值发送小区级的CSI-RS，垂直使用某个下倾角度对应的权值发送，达到覆盖的目的；

（3）基站侧根据上行的SRS[1-3]（Sounding Reference Signal，上行探测参考信号）信道估计值，计算水平波束和垂直波束能量投影；

（4）基站在对应波束时刻（即CSI-RS轮询到该波束的时刻）配置UE（User Equipment，用户设备），进行非周期的PMI[1-3]（Precoding Matrix Index，预编码矩阵指示）反馈；

（5）基站根据SRS、码本以及预置波束，计算零陷相关系数，用于UE间隔离度判决；

（6）基站侧 MAC[1-3]（Medium Access Control，媒体接入控制）处理模块利用零限相关系数等信息进行UE间空分配对；

（7）基站侧PHY[1-3]（Physical Layer，物理层）处理模块根据配对UE信息，各UE对应的水平、垂直波束信息，PMI信息等，构造32天线的赋形权值。

通过本方案的实施，能够使空间隔离度满足一定要求的UE共享频谱资源，提升频谱效率。

本方案的基本处理流程如图1所示。

2 方案实施用例

本方案具体实施提供的系统结构如图2所示。UE周期性发送SRS信号，ENodeB（Evolved Node B,演进型节点B）的SRS处理模块根据接收的SRS信号进行上行信道估计和投影能量、零陷相关系数计算；ENodeB的MAC调度模块根据SRS模块上报的投影能量、零陷相关系数，判决UE所在波束，并生成配对UE，将结果报给EnodeB的PHY权值生成模块；EnodeB的PHY权值生成模块生成UE的波束权值。

图1 本技术方案实现流程

图2 本技术方案提供的一种系统结构

2.1 上行信道信道估计

基站侧根据SRS模块接收的信号进行信道估计，得到信道估计值hi(k)。其中，i为对应天线索引，k为对应SRS信道相应的样本数，即SRS占用的RB（Resource Block，资源块）数[4-5]。

2.2 计算当前时刻的协方差矩阵

根据上行信道信道估计得到的信道估计值hi(k)，计算当前时刻同一极化天线间的协方差矩阵。本方案采用32通道的物理天线，其中16天线为极化1，分别对应天线端口0、2、…、30，另外16天线为极化2，分别对应天线端口1、3、…、31，如图3所示。

图3 天线形态与CSI-RS Port映射关系

协方差矩阵计算分两个极化分别进行：

2.3 SRS投影能量计算

基站侧的SRS模块根据预置的水平7波束和垂直11波束，以及得到的当前时刻的两个极化方向的协方差矩阵R1和R2，分别计算水平7波束的投影能量和垂直11波束的投影能量，并根据水平7波束投影能量最大值确定UE所在的水平波束。同样，根据垂直11波束投影能量最大值确定UE所在的垂直波束[4-5]。

其中，投影能量计算为：

其中m表示水平7波束，n表示垂直11波束，whCSI-RS(m)表示预置的水平波束4天线权值，RhSRS(m)表示第2.2章节中两极化分别抽取4水平天线并做加权平均，表示预置的垂直波束2天线权值，(n)第2.2章节中两极化分别抽取2垂直天线并做加权平均。

2.4 零陷相关系数计算

零陷相关系数主要用于配对UE间隔离度的判决。满足一定判决门限的UE，就可以进行空分配对。

具体计算方法如下[4-5]。

步骤1：预置水平方向基权向量表wnorm,h，维度8×8×7，对应水平天线数×PMI向量×水平波束个数；

步骤2：预置垂直方向基权向量表wnorm,v，维度2×11，对应垂直天线数×垂直波束个数；

步骤3：根据第2.2章节得到的协方差矩阵，抽取水平8天线的协方差矩阵并求矩阵逆，得到水平方向的零陷矩阵，维度8×8；

步骤4：根据第2.2章节中得到的协方差矩阵，抽取垂直2天线的协方差矩阵Rvof，维度2×2；

步骤5：根据水平方向基权向量表wnorm,h和水平方向的零陷矩阵，得到水平方向的相关系数矩阵CorrH，维度8×7，对应PMI向量×水平波束个数；

步骤6：根据垂直方向基权向量表wnorm,v和垂直方向的协方差矩阵Rvof，得到垂直方向的相关系数矩阵CorrV，长度11，垂直波束个数。

2.5 MAC利用零限相关系数等信息进行空分配对

MAC模块根据第2.4章节得到的每个UE的水平方向的相关系数矩阵CorrH、垂直方向的相关系数矩阵CorrV以及UE反馈的PMI信息，判断UE间的隔离度，进行空分配对[4-5]。

2.6 构造32天线的赋形权值

PHY根据配对UE信息和各UE对应的水平、垂直波束信息，PMI信息构造32天线的赋形权值[4-5]。

其中PMI为UE反馈的PMI矩阵，维度4×v，v是该用户的层数；whCSI-RS是第2.3章节中确定的UE所在水平波束的预置权值，维度4×1；wvCSI-RS是第2.3章节中确定的UE所在垂直波束的预置权值，维度2×1；R-1是第2.2章节中两个极化协方差矩阵的逆，表示对权值零陷，降低波束间干扰，维度32×32。

3 方案实施效果

FDD Massive MIMO使用大规模天线阵列和波束赋形，可以通过空分复用提升现网的频谱效率。该技术作为5G的关键技术提前应用到4G网络，在不改变网络结构和终端的情况下，通过多个外场商用局的验证，频谱效率可以给现网带来70%～80%的增益。

表1为某联通外场FDD Missive MIMO验证结果。通过FDD MM站点替换原同扇区的宏站，用户的下行数据需求得到释放，小区下行数据量平均提升83.29%，下行频谱效率提升了77.82%。从空口速率的角度看，下行流量提升后，小区空口下行业务平均速率也获得提升，且在用户数保持不变的情况下，空口下行单用户速率相应提升。

表1 FDD MM与宏站替换前后对比

4 结 语

本技术方案是提前对5G技术的探索，不需要改变现网网络结构和终端支持，而是使用大规模天线阵列和波束赋形技术，通过空分复用提升现网的频谱效率，可为后面的5G技术演进奠定基础。