FDDMassiveMIMO技術(shù)中多用戶空分復(fù)用的研究

1、FDD Massive MIMO技術(shù)中多用戶空分復(fù)用的研究【摘要】5G技術(shù)越來(lái)越近，但是 LTE網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)還 將長(zhǎng)期存在，利用5G的Massive MIMO技術(shù)來(lái)提升LTE網(wǎng)絡(luò) 的容量非常有價(jià)值。通過(guò)對(duì)Massive MIMO技術(shù)提升容量的MU-MIMO理論進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)在 TM9和TM3/TM4模式下 的MU-MIMO技術(shù)，并且在現(xiàn)網(wǎng)中分別進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，基 本達(dá)到了預(yù)期的效果。最后針對(duì)影響MU-MIMO性能的用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè)務(wù)類型等因素進(jìn)行了定量分 析，給由MU-MIMO在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的指導(dǎo)建議?！娟P(guān)鍵詞】 大規(guī)模MIMO;多用戶MIMO;傳輸模式9; 傳輸模式3/4;時(shí)頻網(wǎng)

2、絡(luò)資源；空分復(fù)用Research on Multiuser Space Division Multiplexing inFDD Massive MIMO TechnologyXIE Wusheng, DONG DilangAbstract Though 5G technology comes , LTE network still exists in the future. It is valuable that 5G Massive MIMO technology is used to enhance the capacity of LTE network. MU-MIMO theory b

3、ased on Massive MIMO technology to enhance capacity is analyzed. The MU-MIMO technology in TM9 and TM3/TM4 modes is implemented. It is tested in existing networks and achieves the desired effect. Finally , the factors to affect MU-MIMO performance such as user space distribution , number of active u

4、sers and user service types are analyzed quantitatively and the suggestions on the application of MU-MIMO in existing networks are presented.Key wordsMassive MIMO; MU-MIMO; TM9; TM3/4 ; time-frequency network resources ； space division multiplexing 1引言5G非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)于2017年12月份凍結(jié)， 這標(biāo)志著5G技術(shù)已經(jīng)逐漸步入商用。在

5、這標(biāo)準(zhǔn)中，5G NR將依靠LTE網(wǎng)絡(luò)一起發(fā)展，以滿足5G用戶的需求提供一致的服務(wù)體驗(yàn)。同時(shí)，經(jīng)過(guò)多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署， LTE網(wǎng)絡(luò)已 經(jīng)擁有廣泛的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和龐大的用戶群體基礎(chǔ)，并且現(xiàn)在已 經(jīng)占據(jù)了 95%以上的移動(dòng)業(yè)務(wù)流量。未來(lái)幾年，在 5G終端 還未全面普及的情況下，LTE用？腦菇？繼續(xù)保持增長(zhǎng)，LTE仍 然是MBB服務(wù)的主要承載網(wǎng)絡(luò)，LTE的流量還將繼續(xù)增長(zhǎng)，因此利用5G技術(shù)來(lái)提高LTE容量至關(guān)重要。2應(yīng)用5G Massive MIMO提升4G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)中國(guó)IMT-2020 （5G）推進(jìn)組發(fā)布的5G無(wú)線技術(shù) 架構(gòu)白皮書(shū)，5G無(wú)線關(guān)鍵技術(shù)主要包括：大規(guī)模天線、超 密集組網(wǎng)、全頻譜接入、新型多址技

6、術(shù)、新型多載波技術(shù)、 先進(jìn)的調(diào)制編碼技術(shù)、終端直通技術(shù)（D2D）、靈活雙工、全雙工、頻譜共享等技術(shù)1?？紤]到LTE網(wǎng)絡(luò)還將持續(xù)存在較長(zhǎng)的一段時(shí)間，如果能把這些5G的技術(shù)應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)中,這對(duì)提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能，持續(xù)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將具有非 常重要的意義2。這些關(guān)鍵技術(shù)中，大規(guī)模天線技術(shù)不依賴 于5G網(wǎng)絡(luò)，可以應(yīng)用于現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，它利用大規(guī)模陣列 天線，實(shí)現(xiàn)波束更窄、更精確的波束賦形，更高流數(shù)的多用 戶空分復(fù)用等，提升網(wǎng)絡(luò)容量和用戶體驗(yàn)3,目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有初步的應(yīng)用，但 FDD-LTEW絡(luò)中還未有真正的商 用。Massive MIMO技術(shù)提升網(wǎng)絡(luò)容量，主要是利用 MU-MIMO技術(shù)，

7、是在發(fā)射端發(fā)射多個(gè)用戶相互獨(dú)立的信號(hào)， 在接收端采用干擾抑制的方法進(jìn)行解碼，充分利用空間無(wú)線 資源，在不增加頻率和功率資源的情況下，理論上空口信道 容量隨著收發(fā)端天線對(duì)的數(shù)量線性增大，從而顯著提高系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)容量4。多用戶空分復(fù)用允許多個(gè)不用的用戶在同一個(gè) 時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源上傳送數(shù)據(jù)，這些用戶需要在空間上有一定的 隔離，避免相互干擾。3 MU-MIMO的理論研究MU-MIMO 是相對(duì)于 SU-MIMO （單用戶多進(jìn)多由）提由 來(lái)的，最早應(yīng)用于 Wi-Fi中，目前已經(jīng)在LTE網(wǎng)絡(luò)中取得很好 的應(yīng)用。在SU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流調(diào)度給一個(gè)單 獨(dú)的用戶，分配給該UE的時(shí)頻資源由該 UE獨(dú)占，可以提

8、升 該用戶的傳輸速率。而在 MU-MIMO中，空間復(fù)用的數(shù)據(jù)流 調(diào)度給多個(gè)不同的用戶，這些用戶通過(guò)空分的方式使用相同 的時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源，利用用戶彼此之間的空間隔離度進(jìn)行區(qū)分， 達(dá)到多用戶空間分集的增益。在MU-MIMO的通信網(wǎng)絡(luò)中，如圖 1所示，一個(gè)基站可 以和多個(gè)用戶進(jìn)行通信，此時(shí)基站配置了多根收發(fā)天線達(dá)到 更高的空間自由度，而用戶端不需要配置多根天線，基站與 每一個(gè)用戶都形成了一個(gè) MIMO通道，整體系統(tǒng)就是MU-MIMO 系統(tǒng)。圖1 MU-MIMO系統(tǒng)假設(shè)基站配置的天線數(shù)為 NT,第k個(gè)用戶有Nk根接收 天線，基站到第k個(gè)用戶的信道信息矩陣為 NTX Nk的矩陣Ho 假設(shè)發(fā)送給第k個(gè)用戶的

9、數(shù)據(jù)矢量為 Sk,則第k個(gè)用戶接收 到的信號(hào)為：yk=E Li=1HkSi+n=HkSHE Li=1, i 片 kHkSi+n (1) 在MU-MIMO的研究實(shí)現(xiàn)中，對(duì)接收端的信號(hào)檢測(cè)是一個(gè)重要 的問(wèn)題。在上行鏈路中，基站可以比較容易地獲得用戶上行 信道的狀態(tài)信息，采用多用戶檢測(cè)的方法可以恢復(fù)每個(gè)用戶 的發(fā)送信號(hào)。但在下行鏈路中，基站同時(shí)要向多個(gè)用戶發(fā)送 信號(hào)，用戶會(huì)接收到期望接收到的信號(hào)，同時(shí)還有來(lái)自其它 用戶的干擾，由于是在同一個(gè)時(shí)頻信道中進(jìn)行通信，稱為共 道干擾。因此，在多用戶 MIMO系統(tǒng)下行鏈路中，需要消除或抑制共信道干擾5為了解決MU-MIMO下行鏈路多用戶復(fù)用的干擾問(wèn)題， 可以在

10、發(fā)射端或接收端進(jìn)行干擾消除，但在接收端進(jìn)行干擾 消除的處理復(fù)雜度很大，因此采用在發(fā)射端采用下行鏈路預(yù) 編碼技術(shù)用于解決MU-MIMO下行鏈路用戶之間互相干擾的 問(wèn)題。發(fā)射端將層映射后的數(shù)據(jù)通過(guò)預(yù)編碼處理，可以有效 地減小MU-MIMO下行傳輸中的多用戶干擾，從而提高系統(tǒng) 容量6。對(duì)于FDD-LT京統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于上下行信道頻率不同， MU-MIMO實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)在于需要利用更精準(zhǔn)的CSI反饋來(lái)進(jìn)行下行信道的測(cè)試和預(yù)編碼7。不同天線的信號(hào)以不同的路 徑發(fā)送，每個(gè)天線端口需要一組參考信號(hào)才能獲得準(zhǔn)確的通 道狀態(tài)測(cè)量。但是，更多天線端口也會(huì)導(dǎo)致更多的信道開(kāi)銷， 因此3GPP推由了 TM9模式，使用 CSI參

11、考信號(hào)（CSI-RS用 于信道測(cè)量和反饋，而解調(diào)參考信號(hào)（DMRS）用于數(shù)據(jù)解調(diào)。由于TM9模式下可以實(shí)現(xiàn)窄波束的波束賦形，使得用戶之間的信道更加獨(dú)立，從而大大減少了用戶之間的干擾，并 確保了以相同時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)資源傳送數(shù)據(jù)的性能。目前研究的 Massive MIMO技術(shù)在TM9模式下最高可以實(shí)現(xiàn) 16流的復(fù)用, 也就是最高可以達(dá)到 8個(gè)用戶雙流的空分復(fù)用8 o現(xiàn)網(wǎng)中支持TM9模式的商用終端幾乎沒(méi)有， 為了適配現(xiàn) 網(wǎng)用戶的終端，需要研究TM3/TM4模式下的MU-MIMO。目前在TM3/TM4模式下，可以把大規(guī)模陣列天線劃分形成4個(gè)虛擬的天線扇區(qū)，虛擬扇區(qū)之間通過(guò)多天線的賦形增加空 間的隔離和空間的

12、辨識(shí)度，虛擬扇區(qū)都?xì)w屬于同一個(gè)邏輯小 區(qū)，具有相同的PCI等小區(qū)屬性。在TM3/TM4模式下實(shí)現(xiàn)的 MU-MIMO最多只能支持4個(gè)用戶同時(shí)空分復(fù)用，系統(tǒng)的容 量比TM9模式會(huì)小一些，但對(duì)現(xiàn)網(wǎng)用戶，理論上已經(jīng)能達(dá)到 4倍的提升。4 MU-MIMO的應(yīng)用情況4.1 TM9模式的應(yīng)用在TM9模式下，由于增加了 CSI-R序口 DMRS參考信號(hào)產(chǎn) 生的開(kāi)銷，使得單用戶的峰值速率只能達(dá)到約128 Mb/s3 o理論上Massive MIMO在TM9模式下可以實(shí)現(xiàn)最高 8個(gè)用戶 的空分復(fù)用，在研究中為了驗(yàn)證 TM9模式下的MU-MIMO性 能，盡可能利用空間的隔離進(jìn)行多個(gè)支持TM9模式UE測(cè)試終端分散分布

13、，但由于測(cè)試環(huán)境的限制，只能達(dá)到6個(gè)測(cè)試終端能有效空間隔離。利用大數(shù)據(jù)量的下載業(yè)務(wù)測(cè)試，并從 后臺(tái)統(tǒng)計(jì)小區(qū)的總吞吐量。當(dāng) Massive MIMO小區(qū)使用TM9 模式時(shí)，現(xiàn)網(wǎng)中的正常用戶終端均不支持TM9模式，因此小區(qū)的總吞吐量是測(cè)試終端的總吞吐量。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，6個(gè)UE測(cè)試總速率達(dá)到 717 Mb/s ,平均單用戶速率接近 120 Mb/s ,如表1所7Ko通?，F(xiàn)網(wǎng)小區(qū)理論上吞吐率只有150 Mb/s ,而TM9模 式下MU-MIMO??？A總吞吐率為717 Mb/s,提升了約4.8倍。 測(cè)試終端相距較近時(shí)，由于空間隔離度不夠，無(wú)法達(dá)到空分 的效果，這些終端只能進(jìn)行頻分，測(cè)試的系統(tǒng)總吞吐率

14、將會(huì) 下降。4.2 空載TM3/TM4模式的應(yīng)用在TM3/TM4模式下，不需要增加 CSI-R序口 DMRS參考 信號(hào)，因此信道開(kāi)銷與現(xiàn)網(wǎng)一致，理論上每個(gè) UE可以達(dá)到 峰值速率150 Mb/s o但在實(shí)際測(cè)試中，用戶使用同一個(gè)時(shí)頻 網(wǎng)絡(luò)資源的空分復(fù)用時(shí)，即使在信號(hào)覆蓋較好的情況下，系 統(tǒng)為了降低用戶之間的相互干擾，MCS不會(huì)調(diào)度太高，系統(tǒng)為每一個(gè)用戶調(diào)度的速率也遠(yuǎn)達(dá)不到理論速率，實(shí)際測(cè)試只 有約112 Mb/s，小區(qū)的總吞吐率達(dá)到 450 Mb/s，如表2所示：表2 TM3/TM4模式的 MU-MIMO 測(cè)試UE PCI RSRP/dBm SINR/d拜土M MCS 平均調(diào)度的 RB數(shù) UE

15、下行平均速率/Mb?s-1UE1 51 -53.2 22.9 23.7 97.9 106.6UE2 51 -52.2 23.5 24.7 99.2 114.3UE3 51 -53.1 23.1 24.5 99.2 112.3UE4 51 -52.6 23.6 24.98 99.4 117.2在進(jìn)行TM3/TM4模式的測(cè)試時(shí)，要達(dá)到系統(tǒng)的容量更大，需要4個(gè)用戶在空間上具有一定的空間隔離度，如果其中的用戶空間隔離度不夠，將無(wú)法空分調(diào)度相同的時(shí)頻網(wǎng)絡(luò) 資源。4.3 商用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在實(shí)際的商用網(wǎng)絡(luò)中，用戶不會(huì)像研究測(cè)試中的測(cè)試終 端在空間分布上具有良好的空間隔離度，用戶的分布受樓房 分布、時(shí)間等因素呈

16、不確定性，當(dāng)大量用戶進(jìn)行通信時(shí)，系 統(tǒng)在進(jìn)行多用戶的空分調(diào)度時(shí)，不一定能找由具有良好空間 隔離度的多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行空分復(fù)用。同時(shí)進(jìn)行空分調(diào)度的 用戶有可能會(huì)小于理論的 4個(gè)用戶，使得系統(tǒng)的總吞吐率下 降。并且存在調(diào)度空分復(fù)用的用戶會(huì)進(jìn)行移動(dòng)的情況，這有 時(shí)會(huì)破壞多用戶之間的空間隔離度，有時(shí)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)總吞 吐率的下降。為了驗(yàn)證FDD Massive MIMO在商用網(wǎng)絡(luò)中的 MU-MIMO 性能，進(jìn)行了不使用 Massive MIMO、配置TM3模式的Massive MIMO、配置TM4模式的Massive MIMO這3種現(xiàn)網(wǎng)場(chǎng)景的 研究。在RRC最大激活用戶數(shù)約120個(gè)的高負(fù)荷小區(qū)下，不 應(yīng)用

17、Massive MIMO的普通小區(qū)下行業(yè)務(wù)平均速率達(dá)到約25Mb/s,而應(yīng)用 TM3/TM4模式的 Massive MIMO技術(shù)后小區(qū)的 下行業(yè)務(wù)平均速率達(dá)到 44 Mb/s以上，小區(qū)的系統(tǒng)容量提升 了近1倍，如表3所示：5影響MU-MIMO性能因素的分析FDD Massive MIMO在進(jìn)行 MU-MIMO 的用戶調(diào)度中，會(huì)進(jìn)行用戶空間隔離度的計(jì)算分析，用戶的空間分布將對(duì) MU-MIMO的性能產(chǎn)生較大的影響，并且在用戶量較大的情 況下MU-MIMO能找到空分配對(duì)的機(jī)會(huì)也相對(duì)較高?，F(xiàn)網(wǎng)中 的普通用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，除了視頻等流媒體業(yè)務(wù)是使用 大包數(shù)據(jù)外，大部分的應(yīng)用都是小包數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包的大小也

18、 會(huì)對(duì)MU-MIMO 的性能產(chǎn)生影響。因此針對(duì)影響MU-MIMO性能的3個(gè)重要因素：用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè) 務(wù)類型進(jìn)行了定量的分析。4.4 用戶空間分布的影響FDD Massive MIMO空分復(fù)用要求各空分用戶之間保持 一定的空間隔離度，這樣才能增加空分倍數(shù)， 提升空分增益。 把用戶相對(duì)于 FDD Massive MIMO小區(qū)的分布從左到右，分 成7個(gè)區(qū)間，如圖2所示，橫軸代表水平 7個(gè)波束方向。通 過(guò)統(tǒng)計(jì)可以得到，用戶分布相對(duì)集中，主要集中在波束5,這種分布方式不利于產(chǎn)生更高的空分倍數(shù)。如果要達(dá)到更高 的空分倍數(shù)，要求用戶在各個(gè)波束之間的分布相對(duì)均勻。圖2用戶空間分布圖4.5 激

19、活用戶數(shù)的影響FDD Massive MIMO小區(qū)在激活用戶較高的情況下，即實(shí)際業(yè)務(wù)需求用戶較多的情況下，空分的概率更大，從而空分 倍數(shù)會(huì)更高，提升空分增益。通過(guò)網(wǎng)管跟蹤 Massive MIMO小區(qū)平均激活用戶數(shù)與空分倍數(shù)的關(guān)系，空分倍數(shù)會(huì)隨著用戶平均激活用戶數(shù)的增加呈線性增加，如圖3所示：圖3激活用戶數(shù)與空分倍數(shù)關(guān)系圖4.6 用戶業(yè)務(wù)類型的影響FDD Massive MIMO空分？陀迷詫蟀？數(shù)據(jù)調(diào)度比例相對(duì) 較高的情況下能增加空分的概率，從而提高空分倍數(shù)，提升 空分增益。提取 Massive MIMO小區(qū)大包用戶占比數(shù)據(jù)進(jìn)行 分析：當(dāng)大包數(shù)據(jù)調(diào)度比例小于50%時(shí)，系統(tǒng)的空分倍數(shù)得不到較大提升；大包數(shù)據(jù)調(diào)度占比達(dá)到60%后，系統(tǒng)的空分倍數(shù)可以有較大的提升，如圖 4所示：圖4大包調(diào)度與空分倍數(shù)關(guān)系圖6結(jié)束語(yǔ)Massive MIMO技術(shù)在TD-LTE已經(jīng)比較成熟，對(duì)于 FDD-LT既說(shuō)還處于起步階段，還未有成熟的商用部署。從 技術(shù)研究上來(lái)看，Massive MIMO技術(shù)通過(guò)波束賦形和 MU-MIMO技術(shù)，對(duì)于FDD-LT胴絡(luò)系統(tǒng)容量的提升具有顯 著的成效，隨著國(guó)家對(duì)通信運(yùn)營(yíng)商提由的提速降費(fèi)，用戶使 用的數(shù)據(jù)流量還將繼續(xù)爆發(fā)性地增長(zhǎng)，不久的將來(lái)LTE網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容將面臨越來(lái)越大的壓力，Massive MIMO技術(shù)將是非常有 用的利器。通過(guò)對(duì) Massive MIMO技術(shù)多用戶空分復(fù)用