5G NR多天线传输介绍

mengwei_jiajia

多天线传输
在收发端采用多天线技术为通信系统带来的诸多好处：
天线之间存在一定距离或者处在不同的极化方向上，因此不同的天线进过信道不完全相关，在发送端或者接收端使用多天线可以提供分集增益，对抗信道衰落。
通过调整发送端每个天线单元的相位和幅度，可以将所有的发送能量集中在特定的方向（波束赋形）。因此接收端所处位置得到了更多的能量，所以这种指向性能够提高传输效率以及传输距离，还能降低干扰，提高频谱效率。
和发射天线类似，接收天线也可以利用指向性，把特定信号的接收聚焦在信号对应的方向，从而降低来自其他方向的干扰信号的影响。
接收机和发射机上的多天线，可以采用空分复用技术，也就是在相同的时频资源上，并行传输多层的数据流。

一般会在发送端和接收端同事采用高定向性天线，以使高频通信获得较长距离的覆盖。

在载波频率增加而天线物理面积不变的情况下，多天一般是通过集成更多的天线单元来实现的。在天线面板上集成大量的天线单元，这样做的好处是通过独立调整各个天线单元发射的相位，可以方便地控制发射波束的方向。同样，接收端也可以通过调整每个天线单元接收的相位来控制接收波束的方向。

多天线传输的通用模型，将N_{L}层信号映射到N_{T}个物理天线上--------通过一个变换矩阵W（维度为N_{T}×N_{L}），每个物理天线上发送的信号通过矢量y表示，y=Wx，其中x为发送信号矢量。
实际产品中有不同的实现方式：
（1）多天线处理在发射机模拟域实现，即在数模转换之后实现；
（2）多天线处理在发射机数字域实现，即在数模转换之前实现。
数字域多天线处理实现复杂，需要每个天线单元都配置一个数模转换器。因此到了高频，当大量的天线单元被密集配置一起时，产品往往采用模拟域多天线处理，对模拟域多天线处理，一般对每个天线进行相移来调整波束方向。
高频往往关注的是功率受限问题，而非带宽受限问题，因此，波束赋形要比高阶空分复用更为重要。而低频恰恰相反。

发送端：
模拟域多天线处理往往意味着波束赋形是针对某个载波，因此在下行方向，无法为分布在不同方位上的终端提供频分复用的传输。或者说基站必须在不同的时刻为分布在不同方向上的终端服务。
在低频配置下，由于天线数量有限，多天线处理往往在数字域完成，这意味着更加灵活的多天线处理能力。
数字域，发送端可以任意调整变换矩阵W里面的每个元素的相位和幅度，因此数字域的多天线处理非常灵活，甚至可以提供高阶的空分复用能力。同时数字域还允许为同一载波内的多个数据层产生独立的变换矩阵W。这样发给不同方向上终端的数据可以放置在不同的频率上同时发送。

数字域的多天线处理，天线的权值可以灵活控制，把变换矩阵W称为预编码矩阵，把多天线处理称为多天线预编码。
接收端：

模拟域多天线处理（模数转换前）往往限于一个时刻只能接受一个方向的接收端波束赋形，接收机把天线的接收方向调整为期望接收信号的方向，对两个方向信号的接收只能在不同时刻发生。
而数字域多天线处理能够为多天线处理提供足够的灵活性，可以支持来自多个方向、多个数据流的同时接收，但是实现复杂，需要为每个天线单元提供一个模数转换器。

多天线预编码设计
如果参考信号和数据一起进行编码，从接收机的角度看，预编码是完全透明的，即预编码可以看成是信道的一部分。发射机可以任意地使用任何预编码矩阵而无需通知接收机。

下行多天线预编码
所有NR的下行物理信道的相关解调都依赖于该信道对应的DM-RS。此外，终端需要假设网络侧已把数据部分和DM-RS进行了相同的预编码，因此网络侧使用的任何下行多天线编码对终端都是透明的，网络侧可自由决定下行预编码。

下行多天线预编码对协议的影响主要集中在：为了支持网络侧选择预编码矩阵用于下行PDSCH传输，终端如何进行测量并上报。这些预编码相关的测量和上报机制都是CSI上报框架的一部分。一个CSI上报包括一个或者多个下面的测量项目：
秩指示（RI），终端建议的传输秩，或者说合适的下行传输层数N_{L}。
预编码矩阵指示（PMI），在网络侧采用终端建议的传输秩的前提下，终端建议的预编码矩阵。
信道质量指示（CQI），若网络侧采用终端建议的传输秩和预编码矩阵，终端建议才用的信道编码速率和调制方式。

终端上报的PMI代表终端认为下行传输可用的最优预编码矩阵。每个PMI对应一个预编码矩阵，所有可能的PMI对应的预编码矩阵合在一起称为预编码码本，终端会从中选择最优的PMI。
如何选择？----终端根据选择的RI（对应N_{L}）以及对网络侧N_{T}个天线端口的测量（每个端口都有对应的CSI-RS供终端测量）。对每个有效的N_{L}和N_{T}的组合，NR标准至少定义了一个码本供终端使用。

绝大多数，网络会直接使用终端通过PMI推荐的预编码矩阵。但有些情况下，网络会使用不同的预编码矩阵。例如，当多天线预编码可以是终端使用相同的时域和频域资源传输数据时，也就是我们常说的多用户MIMO（MU-MIMO）。MU-MIMO原理是基于多天线预编码，不光需要将能量集中在终端的方向，同时还需要尽可能避免对同时调度的其他MU-MIMO终端产生干扰。这种情况下，终端上报的PMI未必合适，网络需要综合考虑所有同时调度的终端上报的PMI，然后为每个终端选择最佳的预编码矩阵。
为了支持MU-MIMO的场景，网络需要知道各个终端更为详尽的信息。NR定义了两种不同的CSI模式：Type I CSI和Type II CSI，两种类型的CSI有不同的结构和不同的码本大小。

类型I CSI
主要用于单用户调度（非MU-MIMO场景）。每个终端可以支持高的传输层数（通过高阶复用）。
码本相对简单，主要考虑把能量聚焦在接收端，多个层传输所造成的的层间干扰主要通过接收端的多天线接收来抑制。
两个子类：类型I单面板CSI和类型I多面板CSI。---------两个子类对应不同的码本
----单面板CSI
        网络侧仅配置一个天线面板。类型I单面板CSI中的预编码矩阵W可以分为W1和W2的乘积，作为PMI的一部分，W1和W2的信息会分别上报。其中，矩阵W1代表长期的和频率无关的信道特性，终端对整个上报带宽只汇报一个W1（带宽反馈）；而矩阵W2则试图捕捉短期的且和频率相关的信道特性，终端对每个子带都会上报一个W2，或者根本不上报。
        矩阵W1可以看作定义了一个波束（在某些情况下是一组相邻的波束），指向一个特定的方向。码本中的W1表示的就是波束方向。即使定义了一组相邻波束，本质上这些波束也指向相同的方向。
对于传输秩大于2的情况，矩阵W1定义了N个正交的波束，N=[R/2]，N个波束连同每个波束2个极化方向，组合生成了用于R个层传输的波束。这种情况下，W2提供了两个极化间的相位调整。一个终端最多支持8层传输。
----多面板CSI
网络侧有多个面板进行联合下行传输，
类型I多面板CSI可以支持最多4层空分复用。
类型II CSI
主要用于多用户调度，多个终端使用相同的时频资源传输数据，但每个终端都是用有限的传输层（最多2层）。
码本复杂，这有助于PMI提供更多的信道信息（更细的空域粒度）。更精细空域粒度的PMI反馈会引入更大的信令开销。因此往往在低速移动的场景下才使用类型II CSI的PMI上报。

与类型I CSI类似，类型II CSI也是基于宽带选择并从一组可能的波束中选择波束。所不同的是，类型I CSI最终只上报一个波束，而类型II CSI上报最多4个正交的波束。

上行多天线预编码
NR标准支持最多4层的上行（即PUSCH）多天线预编码。终端关于PUSCH的多天线预编码可以配置为两种模式：基于码本的传输；基于非码本的传输。选择哪种模式一般依据为：上下行信道是否具有互易性（即终端能够依据下行测量的结果，很大程度上了解上行信道）。
基于码本的与编码机制中，上行调度授权包括网络侧要求终端使用的预编码信息。
上下行传输的区别：下行传输中网络可以自主选择是否使用终端上报的PMI；上行传输中终端必须使用网络要求的预编码矩阵。

NR标准支持不同的终端能力，其中包括：关于天线端口间相关性，其取值为全相关（终端可以控制最多4个端口间的相对相位）、部分相关（可以控制天线对相关性，也就是天线对内的两个端口间的相对相位，但天线对间的相对相位无法准确控制）和不相关（任意两个天线端口之间的相对相位都无法保证）。

基于码本的传输
基于码本的上行传输的基本准则是由网络决定一个上行传输的层数（秩）以及对应的预编码矩阵。
为了选择合适的层数（秩）以及预编码矩阵，网络通过对SRS的测量，探测从终端的天线端口到网络侧接收天线之间的无线信道；根据探测结果进一步得到合适的层数和预编码矩阵。

NR对于PUSCH基于码本传输的一个增强是引入了多个多端口SRS传输。对于多个SRS传输，网络侧反馈会扩展1bit的SRS资源指示（SRI），通过SRI来指示网络选择了所有配置的SRS中的哪一个。在接下来的上行传输中，终端不到使用网络指示的预编码矩阵，还要把预编码矩阵输出的数据按照网络侧SRI指示的SRS资源那样映射到相应的天线端口上。

基于码本的预编码一般用在上下行不具备互易性的场景，该场景下必须针对上行信号进行测量，才能决定上行适用的预编码矩阵。


基于非码本的传输
有终端自己测量下行信号得到预编码信息并通知网络。
终端凭借下行的测量得到上行信道的信息（依赖上下行互易性）。预编码矩阵W的每一列都定义了对应层的一个数字的波束。终端为N_{L}层的传输选择N_{L}个不同的波束方向，矩阵的每一列就对应一个波束，每个波束对应一个数据传输。