謝武生 董帝烺
【摘 要】5G技術(shù)越來越近,但是LTE網(wǎng)絡(luò)在未來還將長期存在,利用5G的Massive MIMO技術(shù)來提升LTE網(wǎng)絡(luò)的容量非常有價值。通過對Massive MIMO技術(shù)提升容量的MU-MIMO理論進行分析,實現(xiàn)在TM9和TM3/TM4模式下的MU-MIMO技術(shù),并且在現(xiàn)網(wǎng)中分別進行了測試驗證,基本達到了預(yù)期的效果。最后針對影響MU-MIMO性能的用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè)務(wù)類型等因素進行了定量分析,給出MU-MIMO在現(xiàn)網(wǎng)中應(yīng)用的指導(dǎo)建議。
【關(guān)鍵詞】大規(guī)模MIMO;多用戶MIMO;傳輸模式9;傳輸模式3/4;時頻網(wǎng)絡(luò)資源;空分復(fù)用
Research on Multiuser Space Division Multiplexing in
FDD Massive MIMO Technology
XIE Wusheng, DONG Dilang
[Abstract] 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 based 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 users and user service types are analyzed quantitatively and the suggestions on the application of MU-MIMO in existing networks are presented.
[Key words]Massive MIMO; MU-MIMO; TM9; TM3/4; time-frequency network resources; space division multiplexing
1 引言
5G非獨立組網(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。同時,經(jīng)過多年的網(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%以上的移動業(yè)務(wù)流量。未來幾年,在5G終端還未全面普及的情況下,LTE用戶還將繼續(xù)保持增長,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,因此利用5G技術(shù)來提高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IMT-2020(5G)推進組發(fā)布的《5G無線技術(shù)架構(gòu)白皮書》,5G無線關(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、新型多址技術(shù)、新型多載波技術(shù)、先進的調(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)存在較長的一段時間,如果能把這些5G的技術(shù)應(yīng)用到4G網(wǎng)絡(luò)中,這對提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的性能,持續(xù)推進網(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[3],目前TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)有初步的應(yīng)用,但FDD-LTE網(wǎng)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),是在發(fā)射端發(fā)射多個用戶相互獨立的信號,在接收端采用干擾抑制的方法進行解碼,充分利用空間無線資源,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)用允許多個不用的用戶在同一個時頻網(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是相對于SU-MIMO(單用戶多進多出)提出來的,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)度給一個單獨的用戶,分配給該UE的時頻資源由該UE獨占,可以提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)度給多個不同的用戶,這些用戶通過空分的方式使用相同的時頻網(wǎng)絡(luò)資源,利用用戶彼此之間的空間隔離度進行區(qū)分,達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,一個基站可以和多個用戶進行通信,此時基站配置了多根收發(fā)天線達到更高的空間自由度,而用戶端不需要配置多根天線,基站與每一個用戶都形成了一個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個用戶有Nk根接收天線,基站到第k個用戶的信道信息矩陣為NT×Nk的矩陣H。假設(shè)發(fā)送給第k個用戶的數(shù)據(jù)矢量為Sk,則第k個用戶接收到的信號為:
yk=∑Li=1HkSi+n=HkSi+∑Li=1,i≠kHkSi+n (1)
在MU-MIMO的研究實現(xiàn)中,對接收端的信號檢測是一個重要的問題。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,采用多用戶檢測的方法可以恢復(fù)每個用戶的發(fā)送信號。但在下行鏈路中,基站同時要向多個用戶發(fā)送信號,用戶會接收到期望接收到的信號,同時還有來自其它用戶的干擾,由于是在同一個時頻信道中進行通信,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)用的干擾問題,可以在發(fā)射端或接收端進行干擾消除,但在接收端進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題。發(fā)射端將層映射后的數(shù)據(jù)通過預(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]。
對于FDD-LTE系統(tǒng)來說,由于上下行信道頻率不同,MU-MIMO實現(xiàn)的難點在于需要利用更精準(zhǔn)的CSI反饋來進行下行信道的測試和預(yù)編碼[7]。不同天線的信號以不同的路徑發(fā)送,每個天線端口需要一組參考信號才能獲得準(zhǔn)確的通道狀態(tài)測量。但是,更多天線端口也會導(dǎo)致更多的信道開銷,因此3GPP推出了TM9模式,使用CSI參考信號(CSI-RS)用于信道測量和反饋,而解調(diào)參考信號(DMRS)用于數(shù)據(jù)解調(diào)。由于TM9模式下可以實現(xiàn)窄波束的波束賦形,使得用戶之間的信道更加獨立,從而大大減少了用戶之間的干擾,并確保了以相同時頻網(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模式下最高可以實現(xiàn)16流的復(fù)用,也就是最高可以達到8個用戶雙流的空分復(fù)用[8]。
現(xiàn)網(wǎng)中支持TM9模式的商用終端幾乎沒有,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個虛擬的天線扇區(qū),虛擬扇區(qū)之間通過多天線的賦形增加空間的隔離和空間的辨識度,虛擬扇區(qū)都?xì)w屬于同一個邏輯小區(qū),具有相同的PCI等小區(qū)屬性。在TM3/TM4模式下實現(xiàn)的MU-MIMO最多只能支持4個用戶同時空分復(fù)用,系統(tǒng)的容量比TM9模式會小一些,但對現(xiàn)網(wǎng)用戶,理論上已經(jīng)能達到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-RS和DMRS參考信號產(chǎn)生的開銷,使得單用戶的峰值速率只能達到約128 Mb/s[3]。理論上Massive MIMO在TM9模式下可以實現(xiàn)最高8個用戶的空分復(fù)用,在研究中為了驗證TM9模式下的MU-MIMO性能,盡可能利用空間的隔離進行多個支持TM9模式UE測試終端分散分布,但由于測試環(huán)境的限制,只能達到6個測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)測試,并從后臺統(tǒng)計小區(qū)的總吞吐量。當(dāng)Massive MIMO小區(qū)使用TM9模式時,現(xiàn)網(wǎng)中的正常用戶終端均不支持TM9模式,因此小區(qū)的總吞吐量是測試終端的總吞吐量。通過測試可以發(fā)現(xiàn),6個UE測試總速率達到717 Mb/s,平均單用戶速率接近120 Mb/s,如表1所示。
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小區(qū)總吞吐率為717 Mb/s,提升了約4.8倍。測試終端相距較近時,由于空間隔離度不夠,無法達到空分的效果,這些終端只能進行頻分,測試的系統(tǒng)總吞吐率將會下降。
4.2 空載TM3/TM4模式的應(yīng)用
在TM3/TM4模式下,不需要增加CSI-RS和DMRS參考信號,因此信道開銷與現(xiàn)網(wǎng)一致,理論上每個UE可以達到峰值速率150 Mb/s。但在實際測試中,用戶使用同一個時頻網(wǎng)絡(luò)資源的空分復(fù)用時,即使在信號覆蓋較好的情況下,系統(tǒng)為了降低用戶之間的相互干擾,MCS不會調(diào)度太高,系統(tǒng)為每一個用戶調(diào)度的速率也遠達不到理論速率,實際測試只有約112 Mb/s,小區(qū)的總吞吐率達到450 Mb/s,如表2所示:
表2 TM3/TM4模式的MU-MIMO測試
UE PCI RSRP/dBm SINR/dB 平均MCS 平均調(diào)度的RB數(shù) UE下行平均
速率/Mb·s-1
UE1 51 -53.2 22.9 23.7 97.9 106.6
UE2 51 -52.2 23.5 24.7 99.2 114.3
UE3 51 -53.1 23.1 24.5 99.2 112.3
UE4 51 -52.6 23.6 24.98 99.4 117.2
在進行TM3/TM4模式的測試時,要達到系統(tǒng)的容量更大,需要4個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,將無法空分調(diào)度相同的時頻網(wǎng)絡(luò)資源。
4.3 商用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用
在實際的商用網(wǎng)絡(luò)中,用戶不會像研究測試中的測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、時間等因素呈不確定性,當(dāng)大量用戶進行通信時,系統(tǒng)在進行多用戶的空分調(diào)度時,不一定能找出具有良好空間隔離度的多個用戶同時進行空分復(fù)用。同時進行空分調(diào)度的用戶有可能會小于理論的4個用戶,使得系統(tǒng)的總吞吐率下降。并且存在調(diào)度空分復(fù)用的用戶會進行移動的情況,這有時會破壞多用戶之間的空間隔離度,有時也會導(dǎo)致系統(tǒng)總吞吐率的下降。
為了驗證FDD Massive MIMO在商用網(wǎng)絡(luò)中的MU-MIMO性能,進行了不使用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)場景的研究。在RRC最大激活用戶數(shù)約120個的高負(fù)荷小區(qū)下,不應(yīng)用Massive MIMO的普通小區(qū)下行業(yè)務(wù)平均速率達到約25 Mb/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在進行MU-MIMO的用戶調(diào)度中,會進行用戶空間隔離度的計算分析,用戶的空間分布將對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能找到空分配對的機會也相對較高。現(xiàn)網(wǎng)中的普通用戶進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時,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)包的大小也會對MU-MIMO的性能產(chǎn)生影響。因此針對影響MU-MIMO性能的3個重要因素:用戶空間分布、激活用戶數(shù)、用戶業(yè)務(wù)類型進行了定量的分析。
5.1 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。把用戶相對于FDD Massive MIMO小區(qū)的分布從左到右,分成7個區(qū)間,如圖2所示,橫軸代表水平7個波束方向。通過統(tǒng)計可以得到,用戶分布相對集中,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)。如果要達到更高的空分倍數(shù),要求用戶在各個波束之間的分布相對均勻。
圖2 用戶空間分布圖
5.2 激活用戶數(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)會更高,提升空分增益。通過網(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
5.3 用戶業(yè)務(wù)類型的影響
FDD Massive MIMO空分復(fù)用在大包數(shù)據(jù)調(diào)度比例相對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)進行分析:當(dāng)大包數(shù)據(jù)調(diào)度比例小于50%時,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
Massive MIMO技術(shù)在TD-LTE已經(jīng)比較成熟,對于FDD-LTE來說還處于起步階段,還未有成熟的商用部署。從技術(shù)研究上來看,Massive MIMO技術(shù)通過波束賦形和MU-MIMO技術(shù),對于FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量的提升具有顯著的成效,隨著國家對通信運營商提出的提速降費,用戶使用的數(shù)據(jù)流量還將繼續(xù)爆發(fā)性地增長,不久的將來LTE網(wǎng)絡(luò)擴容將面臨越來越大的壓力,Massive MIMO技術(shù)將是非常有用的利器。通過對Massive MIMO技術(shù)多用戶空分復(fù)用的研究和應(yīng)用,對于商用網(wǎng)絡(luò)部署Massive MIMO技術(shù),主要應(yīng)用于高流量的熱點區(qū)域。在部署時,需要測算用戶空間分布情況、小區(qū)激活用戶數(shù)情況、小區(qū)用戶業(yè)務(wù)類型情況,建議部署在用戶空間分布比較均勻,RRC平均激活用戶數(shù)高于60個,大包數(shù)據(jù)占比達到60%的小區(qū),這樣才能更好地發(fā)揮出Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢。并且在部署時需要對Massive MIMO的天線進行優(yōu)化調(diào)整,使得天線覆蓋下的用戶性能盡量滿足以上要求。
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