超维度天线（E-MIMO）技术白皮书

超维度天线（白E皮-M书 IMO）技术 本白皮书版权专属中信科移动通信技术股份有限公司（以下简称“中信科移动”）所有，并受法律保护。如需基于非商业目的引用、转载、传播或以其他方式合理使用本白皮书的全部或部分内容，应完整注明来源。违反前述声明者，中信科移动将追究其法律和商业道德之责任。 CONTENTS 目录 摘要01 第一章：引言02 第二章：多天线技术的发展趋势05 第三章：集中式多天线系统的空间维度扩展10 第四章：分布式多天线系统的空间维度扩展14 第五章：多天线系统的智能维度挖掘19 第六章：多天线系统的功能维度增强24 第七章：多天线系统的能效维度优化27 第八章：总结与展望30 缩略语33 参考文献34 01 摘要 摘要 ABSTRACT 由于多天线技术在频谱效率提升、传输可靠性增强、覆盖扩展以及干扰抑制能力改善等方面的显著优势，该技术已经在移动通信系统中得到了成功的应用并发挥了重要的作用。在下一代移动通信系统（6thGeneration,6G）中，作为能够促进系统性能进一步提升，推动系统业务与应用领域进一步拓展的核心技术之一，多天线技术仍将起到关键的支撑作用。在这一技术背景之下，结合近年来多天线技术理论与相关实现技术的演进情况以及未来移动通信系统与业务需求的发展趋势，本白皮书对多天线技术的总体发展动向进行了分析并论述了超维度天线（ExtremeMultipleInputMultipleOutput，E-MIMO）的概念及其内涵：围绕空间维度扩展这一发展主线，白皮书中分别对多天线系统在集中式部署形态和分布式部署形态中的空间维度扩展方式进 行了讨论；针对智能维度，白皮书对通信系统智能化演进与多天线技术维度扩展之间的联系进行了分析；针对功能维度，白皮书对多天线技术在非传统通信领域的拓展潜力进行了讨论；针对能效维度，面对“双碳”目标与运营成本控制的需求，白皮书对多天线技术在能耗维度优化问题方面所存在的挑战与相应的解决思路进行了探讨。通过以上几方面的探讨与论述，白皮书力图从多天线技术研究、标准化及产业推动的角度，对多天线技术在未来移动通信系统中的发展潜力进行预判并对其技术演进方向进行展望。与此同时，中信科移动通信技术有限公司（中信科移动）更期望偕同产业界和学术界以此为契机，着眼于更为广阔的未来，通过政产学研用的深入合作，共同推进多天线技术的进一步发展乃至下一代移动通信系统与相关产业的再次腾飞。 02 引言 FOREWORD 03 第一章：引言 面对多种多样的新兴业务形态以及终端连接数 和数据流量规模的爆炸式增长，未来移动通信系统对于无线链路传输能力的提升有着更为迫切的需求[1-3]。为了应对这一巨大挑战，对无线信道资源的进一步拓展和更为高效的利用，仍将是移动通信系统中最为核心的两大问题。实际上，几乎每一代移动通信系统的研究与标准化工作，都是围绕着频谱资源的拓展和频谱利用效率的提升这两条主线进行推进的。在传统的频率、时间、码字等无线信道资源维 度之外，多天线（Multi-Antenna或称MultipleIn-putMultipleOutput，MIMO）技术开启了信道空间维度资源挖掘的新篇章[4,5]。根据MIMO信道容量理论，使用了多天线之后，无线信道可以被分解为若干相互没有干扰的并行数据通道。理论上，各个并行的数据通道都可以重复使用相同的时、频、码资源，从而可以在空间上实现信道资源利用效率的倍增。根据具体的系统配置、信道条件与业务需求，多天线系统可以用于提高系统的频谱效率、提升用 户的峰值速率、改善小区边缘覆盖或增强传输可靠性。鉴于多天线技术的上述优势，该技术在移动通 信系统中得到了广泛的应用。 为了提升传输可靠性，在3G（3rdGeneration）系统中业界便开始使用较为简单的空间分集技术。此外，在中信科移动的大力推动之下，TD-SCDMA （TimeDivision-SynchronousCodeDivisionMul-tipleAccess）系统中开创性地引入了波束赋形技术。事实证明，波束赋形技术对于改善边缘覆盖、抑制干扰、提升接收信号质量以及整体网络性能的增强起到了至关重要的作用。 从4G（4thGeneration）系统开始，多天线技术的标准化应用进入了全面发展阶段。实际上，LTE （Long-TermEvolution）系统的物理层构架正是建立在MIMO+OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）的基础之上。从LTE系统的第一个版本开始，就已经对包括发射分集、空分复用、多用户MIMO(Multi-UserMIMO，MU-MIMO)及波束赋形技 术在内的几乎所有MIMO技术类别进行了标准化。在LTE系统的后续演进过程中，对多天线技术的逐步完善与增强始终是其最重要的发展路线之一。而中信科移动所倡导的波束赋形技术与基于互易性的信道状态信息获取技术，也伴随着LTE系统的发展而持续演进，在整个系统中的作用日渐凸显[6]。在4G增强与5G（5thGeneration）系统中， 多天线技术理论的进一步发展以及基带处理能力、射频与天线技术的进步，带动着多天线技术逐步向着进一步提升空间维度以支撑更多并行数据流、更大的用户规模以及网络化协作的方向前进。在 这一阶段，中信科移动在业内率先推出了工作于 3.5GHz频段的128通道/256天线全数字大规模天线（massiveMIMO）原型平台，并成功地将大规模天线技术推向实际的网络部署。在5G系统中，随着频段资源向毫米波波段的扩展，多天线技术对于 04 超维度天线(E-MIMO)技术白皮书 弥补非理想传播因素以及保证系统稳健性和有效覆盖发挥了更为关键的作用。与此同时，频段的扩展也对多天线系统结构、多天线工作模式以及具体的物理信道与信号设计等方面都带来了新的影响[7]。 面向下一代系统，可以预见多天线技术仍将发挥重要的基础性作用，为系统频谱利用效率、传输可靠性、覆盖能力及干扰抑制能力的进一步提升提供更加坚实的支撑。随着理论研究的进一步深入以及更多支撑技术的涌现，多天线技术将以更大的规模在更为广阔的场景中得到部署和应用，也会更加深入地渗透到系统的各个层面。在这一过程之中，多天线系统的发展也将逐渐向其他维度延伸，并全方位地融入下一代通信系统的新型网络构架之中，在超维度天线的概念之下实现空间维度的有效扩展、智能维度的深度挖掘、功能维度的显著增强以及能效维度的充分优化。 本白皮书的后续章节将分别对上述问题进行探讨， 具体的内容安排如下： 第五章 结合通信系统智能化的发展趋势，对多天线系统 智能维度的挖掘问题进行探讨。 第二章 对多天线技术的总体发展动向进行论述并提出超第六章 维度天线的概念。针对多天线技术在通信功能之外的维度拓展潜力进行探索。 第三章 围绕空间维度扩展的发展主线，对传统的集中式部署形态下多天线系统的维度扩展方式进行讨论。 第七章 对多天线技术在能效维度优化问题方面所面临的 挑战与相应的解决思路进行分析。 第四章 在以用户为中心的新型网络构架之下，对大规模分布式协作多天线系统的空间维度扩展方式进行研究。 第八章 对全文进行总结并对多天线技术的未来发展进行 展望。 05 2 多天线技术的发展趋势 THEDEVELOPMENTTRENDOFMULTI-ANTENNATECHNOLOGY 多天线技术的性能增益来自于MIMO信道的空间自由度，因此空间维度扩展一直是该技术持续演进和发展的重要方向。受到产业发展需求的驱动，从4G到5G系统，多天线技术也始终延续着这样的路线进行改进与增强。如图1所示，在标准化与产业化的发展过程中，多天线系统空间维度的扩展体现在单用户MIMO（Single-UserMIMO，SU-MIMO）的并行数据流、多用户MIMO中的用户数量以及每用户的流数、多小区协作MIMO的协作传输点数量、可用于信道测量的参考信号端口数量等多个方面。相应的，低频段基站系统的天线阵列规模逐渐扩展到64通道，而阵元数量可以达到128-256个。在高频段，受限于实现成本、复杂度及功耗等因素，系统中并不会使用过多的数字通道。但是， 06 超维度天线(E-MIMO)技术白皮书 为了更好地弥补传播环境的非理想因素以保证覆盖范围与传输鲁棒性，高频段基站系统的天线阵列可以达到512阵元或者更大的规模。 标准化与产业化进程中，持续扩展多天线系统空间维度的发展路线也得到了相应技术理论的有力支持。根据大规模天线理论，随着天线阵列规模的增加，各用户的信道向量将趋于正交并出现所谓的信道硬化特征。这种情况下，系统中共同调度用户 之间的干扰将趋于消失，因此可以有效地提升整体 系统的频谱利用效率[8]。在这一理论背景之下，所谓的massiveMIMO技术成为了5G系统的重要标志性技术，为系统性能指标的进一步提升奠定了重要基础。 CoMP MU-MIMO eMU-MIMO 2D-MIMO 3D-MIMO MassiveMIMO 图1-多天线技术的标准化与产业化发展 Rel-16 ...... Rel-15 Rel-19 Rel-13Rel-14 Rel-17Rel-18 Rel-12 Rel-11 Rel-10 Rel-9 Rel-8 4TxCodebook eSU-MIMO UL-MIMO DL-BF SU-MIMO Beamforming 07 第二章：多天线技术的发展趋势 但是即使在5G系统中，天线阵列的规模仍然没有达到理论意义上的“massive”。例如在中低频段，对于一个具备64通道及128阵元的双极化天线阵列，实际上在每个极化方向上，阵列的水平维和垂直维分别只有8个和4个数字通道。对于毫米波波段，尽管阵列中的阵元数量可以达到512甚至更大规模，但是受限于数字通道的数量以及数模混合波束赋形结构，其空间自由度并没有被很好地利用起来。在这种情况下，massiveMIMO技术理论所展现出的巨大性能潜力在现有系统中实际上还远未被充分地挖掘出来。所谓的用户信道正交性与信道硬化等massiveMIMO技术的潜在优势也并未在实际系统中体现出来。 如前所述，无论是来自产业化和标准化发展的现实驱动，还是相关技术理论所描绘的美好愿景，都将多天线技术的演进趋势指向空间维度进一步扩展的发展方向，而愿景与现实之间的鸿沟中则隐藏着多天线技术演进路线中将要面临的诸多挑战。 现有的多天线系统部署形态仍以集中式为主，这种情况之下天线系统的体积、重量与迎风面积等参量对大规模天线系统的部署与维护有着十分重要的影响。对于给定的频段，天线阵列的尺寸与天线规模直接相关。以现有的常用频段为例，为了维持与被动式天线面板类似的迎风面积，并将天线系统重量、成本及复杂度维持在合理的范围之内，实际 的有源天线系统中所使用的数字通道数通常不会超 过64个。这一因素将会对用于信道状态信息测量的参考信号（如CSI-RS,ChannelStateInformation-ReferenceSignal）端口数的选择、单用户MIMO与多用户MIMO层数、码本与反馈设计等产生直接影响。 天线规模的增大除了会对网络部署带来影响之外，对于系统设计带来的另外一个重要影响便是设备的复杂度与功耗问题。随着天线规模的增大以及 用户数量的提升，如果按照传统的多天线处理流程，系统在进行各项多天线处理过程中将面临大量高维度的矩阵运算。而且，天线系统与基带系统之间需要交互的大量数据会对前程（fronthaul）接口带来较大的传输压力。尽管fronthaul的传输瓶颈可以通过大容量光纤以及更先进的压缩和光传输技术来解决，但是计算复杂度的提升仍然是不可避免的。 天线规模的扩大对于CSI（ChannelStateIn-formation）的获取与参考信号的设计也带来了新的挑战。CSI的测量与反馈对于多天线技术乃至整个系统都有至关重要的作用。对于当前系统设计重点优化的MU-MIMO传输而言，CSI的精度及时效性更是有效地获得多天线系统性能增益的重要保障