20306G推进组2023绿色智能化超大规模MIMO技术研究报告

北京稻壳科技有限公司 BeijingRiceHullTechnologyCo.,Ltd.地址：北京市朝阳区九住路188号 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 2023年12月 版权声明CopyrightNotification 未经书面许可禁止打印、复制及通过任何媒体传播 ©2023IMT-2030（6G）推进组版权所有 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 概述5 背景意义7 绿色节能网络架构8 上下行解耦的动态关断网络架构8 无蜂窝（CELL-FREE）网络架构10 基于RIS辅助的绿色网络架构14 空口节能技术17 基于CSI反馈增强的天线调节技术17 基于负载情况的公共信号的自适应调节技术18 基于非连续传输的小区休眠技术18 基于SSB增强的网络节能技术19 智能化超大规模MIMO21 智能化CSI反馈方案21 智能化波束管理方案23 智能化基站管理方案27 总结与挑战28 总结28 挑战与建议29 参考文献31 主要贡献单位33 缩略语34 3 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 图目录 图3.2-1单层Cell-free网络架构11 图3.2-2两层Cell-free网络架构11 图3.2-3动态协作TRP簇13 图3.3-1RIS辅助的单小区覆盖增强示意图15 图4.2-1以SSB为例的公共信号自适应调节示意图18 图4.4-1On-demandSSB/SIB1示意图19 图4.4-2主载波承载载波的SIB1信息示意图20 图4.4-3主载波触发辅载波的SIB1传输示意图20 图5.1-1SCsiNet结构示意图22 图5.1-2SCsiNet对反馈开销和天线端口数的可扩展性评估结果23 图5.2-1环境图片处理流程26 表目录 表5.2-1不同波束数量的测试结果27 4 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 概述 多输入多输出（MIMO）信道不仅具有经典香农信息论所涉及的时间和频率自由度，还具有空间自由度。MIMO已成为4G和5G提升系统容量和频谱效率的最为有效的核心手段[1]。可以预计，未来将在5G的基础上，采用空天地海泛在通信网络，使用新频谱、超大规模天线、大规模分布式协作MIMO、通信感知一体化等技术，发展覆盖范围更广、传输速率更高、可靠性更高、时延更小的无线传输系统，从而构建更新一代的普适性、智慧化、全业务移动信息基础设施。 绿色的通信网络既是行业降低网络成本的共同愿景，也是全世界实现“双碳”目标的必经之路。随着更多新频点、新技术和新场景的引入，超大规模MIMO的能耗问题将日益突出。同时，受制于器件和干扰，更大规模的MIMO带来的空间分集增益也将趋于饱和，结合人工智能（ArtificialIntelligence,AI）技术的智能化MIMO或将给通信网络带来新的活力。 本报告围绕绿色智能化超大规模MIMO，从节能和智能两个维度阐述了目前超大规模MIMO技术的热点技术和研究现状。 第三章围绕绿色节能网络架构展开，一方面从对现有网络架构的改进角度出发实现网络节能，另一方面对Cell-free，RIS等技术进行探讨，阐述了6G网络中潜在的节能方案。 第四章围绕无线空口技术，结合当前网络现状及标准进展，针对当前以及未来通信网络中潜在的空口节能手段进行分析。 第五章内容围绕AI技术在超大规模MIMO中的应用，首先从空口技术角度，介绍了智能化的信道状态信息反馈方法以及波束管理方案；然后结合通信网络特点，分析了对网络节能管理的潜在方向。 基于本技术报告内容，绿色智能化超大规模MIMO将给未来6G移动通信网络带来巨大增益，但是也还存在诸多挑战，如网络架构的前向兼容性、网络能耗与性能的平衡性、AI技术的低复杂度和可靠性等，在第六章中对此给出 5 了相应的总结和建议。 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 6 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 背景意义 随着5G移动通信系统的大规模商用，在用户和网络需求的持续驱动下，6G移动通信的研究已如火如荼地展开。6G将集成人工智能、边缘计算等先进技术，致力于开启万物智联的新时代。 这些新技术、新材料的应用虽然可以有效提高网络性能，但是也带来了更严峻的网络能耗问题。6G移动通信如何在获得更大的系统容量、更高的可靠性、更低的时延的同时，获得更高的能量与频谱效率，是学术界和工业界普遍关心的一个问题。 自5G时代开始，我国加快了基站建设，但是同时也使得网络能耗大幅增长。据统计，目前无线网用电量约占整体网络用电量的80%，其中基站设备为主要能耗来源，占比高达70%以上。而为了支撑5G高速率而引入的更多通道数的有源天线单元（ActiveAntennaUnit，AAU）的功耗更是占据了基站90%以上的能耗。随着未来6G网络工作频段和天线数量的增加，这一数据会越来越大。 以毫米波频段为例，为满足边缘用户的通信体验，其覆盖半径仅约为3.5GHz基站的30%，需要更多的基站以满足覆盖需求。同时，毫米波基站功放效率约为7%-15%，支持毫米波基站功放正常工作的能耗更高。多达1024甚至更多的天线阵子数也将导致更大的发射天线功耗。另一方面，按照带宽代际增长规律，预计6G带宽可达500MHz~1GHz。为保障无线通信质量，单位带宽发射功率基本不变，可推算6G基站发射功率将是5G的5倍以上。此外，智慧内生是6G的重要特征。常用AI模型的复杂度从十几兆到上百吉个模型参数。以ChatGPT为例，据环球零碳研究中心粗略合算，其模型训练碳排放超过552吨，运行60天碳排放约为229.2吨，合计碳排放超过781.2吨。内生智能也会带来系统能耗的增加。 6G网络中，超大规模MIMO仍将是网络能耗的主要来源。同时，增加基站的天线数形成超大规模MIMO，虽然可使未来6G系统的频谱利用率进一步 7 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 提高，但当基站天线阵列部署的物理尺寸受限时，过于密集的天线部署将存在严重的互耦效应，相关MIMO信道容量存在理论极限。因此，绿色智能化超大规模MIMO是使超大规模天线MIMO在6G时代进一步发挥作用的关键。 2020年，习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中提出，“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，正式确立了“双碳”目标。在此战略背景下，目前三大运营商和铁塔公司均制定了自己的“双碳”进度规划，以绿色、环保、低碳为发展目标，减少碳排放，在实现快更强的移动通信网络服务的同时，助力国家“双碳”战略发展。从技术层面上实现绿色网络是进一步实现“双碳”目标的关键。整体上，6G网络需要采用新型的网络及架构，解耦网路中各模块功能，实现网络各模块的灵活控制；从空口技术上，需要引入更加灵活的控制反馈机制，减少信号的传输，及时关闭发射天线，降低网络能耗。 超大规模MIMO技术中引入人工智能技术将有助于充分发挥超大规模MIMO技术的潜力。在未来的通信系统中，超大规模MIMO有可能在多个环节实现智能化，如信道探测、波束管理、预处理、多用户检测与调度、信号处理与信道状态信息反馈等，从而使超大规模MIMO系统更加高效和智能。 绿色节能网络架构 绿色节能网络的实现，首先可从高层入手，对网络的结构进行改进。具体地，一方面可以对现有的网络进行改进升级，实现网络能效的提高；另一方面也可以通过引入新技术，使用全新的绿色智能网络架构。 上下行解耦的动态关断网络架构 大规模MIMO系统上下行站点解耦的网络架构在解决上行覆盖受限、站间上下行负载均衡、上下行服务站点选择优化等方面相比上下行站点强绑定架构具备显著优势。由于上下行站点解耦网络架构通常需要密集的基站部署或者宏 8 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 微异构组网，网络整体能耗较高，因此需要在不明显影响上下行传输质量的前提下通过动态关闭基站上/下行传输来降低网络侧能耗。 上下行站点解耦的网络架构中可在下述几种场景通过分别动态关断上/下行传输，实现网络节能： （1）仅上行覆盖容量受限 由于用户设备发射功率通常远小于基站，上行覆盖范围通常明显小于下行覆盖范围，网络部署中会在宏站覆盖范围内专门部署一些小站来应对上行覆盖受限的情况。在传统上下行站点强绑定的网络架构中，原本专门用于上行覆盖增强的小站也必须提供下行服务，但此时宏站可能才是用户的最佳下行服务站点，并且下行覆盖的重叠也带来严重的下行干扰。 动态关闭上行覆盖增强小站的下行传输，允许用户与小站建立上行传输链路的同时与宏站建立下行传输链路，不仅明显降低了站点间的下行干扰，同时可以显著降低网络能耗。 （2）上下行业务负载不均衡 基站能耗主要发生于下行发送模块，当基站的下行业务负载较低而上行业务负载较高时，可以由多个站点提供上行服务，而仅由少量站点提供下行服务，此时动态关闭部分站点的下行发送模块可以有效降低网络侧能耗。 同样对于基站上行业务负载较低而下行业务负载较高的场景，也可动态关闭部分站点的上行传输，而由另外少数站点集中提供上行服务。尽管相比下行传输模块的关闭效果稍弱，但是上行接收模块关闭也可以带来一定的能耗降低。 （3）相干传输 根据终端业务需求，一些场景下需要多站点间实现相干联合传输或接收，同时相干联合传输或接收的需求对于上下行业务是独立的。例如有下行相干联合传输需求的终端可能并不需要多站点对上行传输的联合接收。另外，如果不要求上下行站点解耦的网络架构中终端的下行服务站点与上行服务站点绑定，那么在多站点联合传输或接收的场景中，也就意味着并不要求相干联合接收的 9 IMT-2030(6G)推进组 IMT-2030(6G)PromotionGroup 多个站点与相干联合传输的多个站点完全重合。 在上面三种场景中，部分站点会仅提供上行或下行传输服务，那么在业务负载允许的前提下，关闭未被使用或利用率低的传输模块可同时带来降低干扰和节约网络能耗两方面的增益。 无蜂窝（Cell-free）网络架构 Cell-free网络架构概述 传统集中式的超大规模MIMO网络中，所有天线单元都集中部署在宏基站处。与之不同，Cell-free网络中的天线单元以TRP（TransmissionandReceptionPoint）的形式分布式地部署在不同的地理位置，能够获得更好的分集增益。从网络部署的层级关系来看，Cell-free网络分为以下两种典型架构： 第一种是单层架构，如图3.2-1所示，所有TRP都密集部署在同一层，每个TRP均通过前传链路直接连接到中央处理单元（CPU，CentralProcessingUnit），分布式地进行数据传输和资源配置[1]-[3]，由TRP完成终端信号的发送和接收，由CPU完成不同TRP的用户数据的分发、合并、预编码和数据处理，以及终端动态协作簇的更新。 第二种是两层架构，如图3.2-2所示。第一层网络主要实现UE的初始接入和移动性管理，完成UE与网络之间的低时延控制信令交换，能够提供较好的覆盖能力[4]，例如基于单频网（SFN,SingleFrequencyNetwork）技术的超级小区（supercell）、或者是基于低频段通信的广覆盖小区。第二层网络主要实现高速率的数据传输，通过动态地为每个用户选择一个或若干个传输节点进行集中式或者分布式MIMO的传输，能够获得更高的空间复用增益，提供更高的数据传输速率[5]。第二层网络可以采用non-SFN模式的、或者采用相比第一层网络频点更高的频点