GTI 多天线白皮书
时间：10-02
整理：3721RD
点击：
2017年上海通信站结束了，5G技术依然引人注目，华为的上海外场和中兴的广州外场无疑是点睛之笔，标志着中国移动的5G试验工作已然渐入佳境。而放眼各个运营商的展台，大规模天线则无处不在，这表示它无疑是5G系统中的最关键的技术。
那么，大规模天线到底是什么哪?它的概念、基本特性和性能是什么，在5G系统中又和那些关键技术相关哪?
让我们借助GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2017年2月发布的《Massive MIMO White Paper V0.1》来学习和了解下吧。此白皮书由中国移动、中兴和华为共同起草。
以下是该文档的关键内容摘录。
前言
随着移动互联网和智能手机的发展，用户的使用习惯已经发生了很大的变化。移动宽带接入的容量增加大力促进了移动互联网和移动数据业务的增长，而这反过来又对移动网络容量提出了新的增长要求。
为了满足话务需求的急速增长，4G和5G时代增加天线的数目不可避免。大规模天线技术势必是未来5G时代的核心技术之一。
大规模天线技术使4G能够保持连续演进。采用大规模天线，可以显著增加频谱效率，尤其在容量需求较大或者覆盖范围较广时，它可以使4G网络满足网络增长需求。从运营商的角度看，这项技术具有较好的前景，因此应当提前在5G硬件中实施，并通过软件升级来提供5G空中接口功能，以促进5G的部署。
作为4G时代的大规模天线技术，大规模MIMO(Massive MIMO)已经被广泛认为是4G部署以来最有效的技术，它利用LTE TDD频谱的无可比拟的优势，在网络性能方面获得了革命性突破，这种革新技术是未来网络大发展的前奏：
采用大规模天线阵列mMIMO，频谱效率比普通宏基站增加3到5倍。这种显著增益会激励运营商完全颠覆其网络建设策略。
mMIMO增加了网络覆盖的灵活性，运营商可以利用mMIMO的水平和垂直覆盖特性来提供不同场景下的覆盖。
采用惊人的高容量增益，mMIMO有望帮助运营商使用机器灵活的计费政策来吸引用户，提供无与伦比的用户体验，刺激用户数据消费，获得话务收益，增加运营商收入。
mMIMO与4G终端兼容，运营商现在就可以从4G网络部署中获取收益。同时，它还支持面向5G的网络演进，从而保持和提升现有投资的回报。
1. 介绍
1.1. 背景
2G时代话音和短信业务为主，3G时代website和数据业务为主，4G时代则以视频和在线游戏为主。随着业务的变化，用户对网络容量和时延的需求越来越强烈。未来2018年，虚拟现实和增强现实类应用则将会大力发展，从而带来数据流量的激增。根据Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015–2020的预测，从2015年到2020年，移动数据业务的年度复合增长率将会达到53%，如下图所示：
为了应对上述挑战，LTE网络中引入了mMIMO技术，来提升频谱效率、信道容量和链路可靠性。5G会采用更高的频段，而LTE TDD在部署高频段mMIMO方面具有明显的优势。
1.2. 白皮书的目的
4G向5G演进过程中，mMIMO多天线技术对运营商来说，起着重要的作用。话务快速增长条件下，如何利用现有的LTE投资来不断地满足话务需求，如何保持现有4G网络的收益，如何进行4G演进以满足垂直行业和应用的发展需求，对运营商来说极为重要。这些需求对网络都带来新的需求。ITU在最终定义5G需求并进行标准制定的时候，如何满足频谱效率的需求也是运营商优先关注的问题。
LTE TDD在采用mMIMO方面具有内在的优势。为了在4G和5G部署中采用mMIMO技术，本白皮书描述了技术原则以及测试结果，可作为运营商和行工业伙伴在4G演进和5G部署方面的参考资料。
白皮书包括以下内容：
mMIMO原理和TDD方面的优势
典型场景下mMIMO的测试结果
4.5G和5G系统中mMIMO的商用路标
mMIMO商用产品的需求和进一步增强
2. mMIMO的原理
2.1 mMIMO的基本原理
mMIMO作为5G的一个候选技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。在采用大天线阵列的mMIMO系统中，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，因此能量能够更加准确地集中指向特定的UE，从而减少了小区间干扰，能够支持多个UE间的空间复用。
采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列，可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合，大力提升区域频谱效率。
简而言之，mMIMO系统定义为：
大量收发信机(TRX)
空间复用特性
多用户调度(MU-MIMO)
上下行方向上的大量高增益天线阵列
2.2 TDD在mMIMO实施中的优势
在mMIMO中采用TDD技术有助于在频谱效率、网络性能和容量方面提供较大的优势，同时便于从4G演进到5G网络。
由于上下行信道间的互易性，TDD基站能够得到完整的非量化的下行信道状态信息，从而能够采用更加灵活和准确的波束赋形技术提升小区覆盖和吞吐量。基于更加准确的非量化的信道状态信息，TDD系统中的多用户调度更加灵活和准确，因此增加了系统容量。反之，FDD基站仅能够通过UE反馈的码本得到量化的信道状态信息，从而制约了波束赋形和调度的灵活性。
TDD系统中的信道互易性如此之强，因此能够天然地适用于64个以上天线的波束赋形。部署TDD mMIMO的另外一个好处就是现有的商用3GPP R8/R9 UE无需升级即可使用。
3. 典型场景下mMIMO的测试结果
mMIMO与现有的协议和终端相兼容，可以通过系统侧软硬件升级来部署。该技术大力提升了网络覆盖、频谱效率、平均小区边缘用户吞吐量以及商用用户体验。mMIMO已经在商用网络中进行了测试，在一些典型场景中获得了显著的性能。在大容量热点场景下，mMIMO采用空间复用来为更多用户提供服务，从而增强了网络容量。在3D覆盖场景下，mMIMO技术提供了灵活的波束赋形容量，可以更好地为高层建筑中的用户提供服务。
3.1 典型应用场景
3.1.1 热点场景
当前，数据业务量的特点就是在20%的热点区域内产生超过70%以上的流量，如市区CBD、商业中心、交通枢纽、居民区、大学校园等，都具有同样的特点，即人流集中、话务负荷高、容量不足等。mMIMO可以提供较高的空间复用增益和较强的波束赋形能力，从而满足这些区域内的容量需求。
3.1.2 3D覆盖场景
高层建筑内，网络覆盖通常较差，且覆盖增强面临多项挑战，比如：
需要采用多个天线提供高层覆盖，但是站点难以获取。
信号穿透墙壁后会变得很弱。
上行信号传输增加了建筑物中的小区间干扰。
高层建筑中的话务通常比较集中(intensive)，为了满足话务需求，mMIMO具有以下独有的特性：
垂直面采用大量天线阵列，显著增强了高层覆盖。
采用波束赋形增益弥补了穿透损耗。
灵活地按需进行波束宽度和方向的调整，降低小区间干扰，增强3D覆盖和容量。
3.2 峰值吞吐量测试
在北京的典型室外场景下测试峰值速率，多个UE进行满buffer下载，图中采用黄星表示。mMIMO基站采用64收发信机(TRX)天线，而当前商用基站仅采用了8TRX。
mMIMO下，基站下行峰值吞吐量为660Mbps，是8TRX天线的6倍(600%)。
3.3 商用网络中的性能
目前，mMIMO已经在商用网络中进行了部署，在只有商用终端条件下，mMIMO性能KPI如何变化是本章分析的内容。
3.3.1 热点场景
北京某个校园环境下，mMIMO显著提升了系统容量。KPI监测显示，商用终端non-full buffer话务条件下，相对于8TRX，64TRX的上下行频谱效率分别提升255%和305%。
3.3.2 3D覆盖场景
北京某站下，mMIMO显著提升了高层居住区的覆盖性能。相比8TRX，64TRX减少了垂直面的覆盖空洞。
4. mMIMO如何从4.5G演进到5G
4.1 mMIMO到5G的演进之路(Roadmap)
在4G到5G的演进过程中，LTE TDD mMIMO希望在商用部署和发展方面得到更大应用。下面为mMIMO从4G演进到未来5G系统的路标。
4.2 目前阶段mMIMO商用产品概览
4.2.1 华为mMIMO产品
4.2.2 中兴mMIMO产品
4.3 mMIMO进一步增强以支持3GPP Rel 13/Rel 14终端以及5G
4.3.1 基站演进
4.3.1.1 增强综合容量并降低大规模部署的成本
mMIMO是当前移动通信系统中最具破坏性(disruptive)的技术演进，它利用多天线技术显著提升频谱效率、满足网络大容量的需求。在主要移动运营商的带领下，业界持续努力，将mMIMO从实验室样机变成了商用产品，并成为获取网络容量快速增长的主要手段。
未来数年，mMIMO大规模商用部署成本需要进一步降低，工程规范需要持续改进，以便mMIMO能够迅速部署，并在低功耗条件下工作。
从4G到5G演进过程中，业界需要考虑如何共享4G和5G的设备硬件、频谱、功率以及其他资源，以便mMIMO顺利演进到5G。
4.3.1.2 到5G的顺利演进
5G规范尚未终结，当前，空口候选方案包括：
波形技术：基于OFDM，可能存在新波形如f-OFDM等。
帧结构：多种参数集，1ms或者更短的TTI，自包含子帧，动态TDD，灵活全双工
多址接入技术：正交复用多址，非正交复用多址
调制技术：高阶调制，如下行1024QAM，上行256QAM
编码技术：LDPC码和Polar码
从系统级来看，这些候选技术或者完全由基带单元处理，或者独立于RF硬件来处理。因此，仅通过基带单元的硬件增加或者更换]以及mMIMO RF单元的软件升级，就可以应用5G基带单元，升级到5G系统了。
mMIMO产品中需要考虑相关的增强，这对5G硬件的提前具备、升级支持5G新空口相关功能、5G的部署等方面都相当重要。
4.3.2 终端演进
终端是无线网络中的重要组成部分，终端技术的发展使得终端能够在mMIMO环境下工作，充分利用mMIMO的技术特性，显著提升单用户容量和网络容量。
终端侧将从以下方面演进，以更好地支持mMIMO技术：
支持3GPP R13、R14和R15中定义的mMIMO优化，以提升网络性能。
终端支持4或8接收天线，以支持下行的4或者8层，提升单用户性能。
支持上行多天线传送技术，如天线选择性发送SRS，以支持2/4/8层下的上行单用户发送以及上行波束赋形，增强上行单用户速率和覆盖。
支持更高发射功率，提高上行覆盖。
5. 结论
LTE TDD具备一些内在特性，有利于采用mMIMO技术。在4G演进过程中采用大规模天线技术，可以显著提高频谱效率，尤其在容量需求大、覆盖要求高的地区，使4G网络满足4.5G时代网络需求增长的要求。这项技术需要5G硬件提前支持此功能，并通过软件升级提供5G空口功能，方便5G部署。先网测试结果证明，mMIMO技术在一些典型场景下具有明显的好处，如热点高容量地区以及高覆盖需求场景下。这项革命性的技术为4G网络的演进和未来5G网络的部署以及业界的进步奠定了坚实的基础。
那么，大规模天线到底是什么哪?它的概念、基本特性和性能是什么，在5G系统中又和那些关键技术相关哪?
让我们借助GTI(Global TD-LTE Initiative) 于2017年2月发布的《Massive MIMO White Paper V0.1》来学习和了解下吧。此白皮书由中国移动、中兴和华为共同起草。
以下是该文档的关键内容摘录。
前言
随着移动互联网和智能手机的发展，用户的使用习惯已经发生了很大的变化。移动宽带接入的容量增加大力促进了移动互联网和移动数据业务的增长，而这反过来又对移动网络容量提出了新的增长要求。
为了满足话务需求的急速增长，4G和5G时代增加天线的数目不可避免。大规模天线技术势必是未来5G时代的核心技术之一。
大规模天线技术使4G能够保持连续演进。采用大规模天线，可以显著增加频谱效率，尤其在容量需求较大或者覆盖范围较广时，它可以使4G网络满足网络增长需求。从运营商的角度看，这项技术具有较好的前景，因此应当提前在5G硬件中实施，并通过软件升级来提供5G空中接口功能，以促进5G的部署。
作为4G时代的大规模天线技术，大规模MIMO(Massive MIMO)已经被广泛认为是4G部署以来最有效的技术，它利用LTE TDD频谱的无可比拟的优势，在网络性能方面获得了革命性突破，这种革新技术是未来网络大发展的前奏：
采用大规模天线阵列mMIMO，频谱效率比普通宏基站增加3到5倍。这种显著增益会激励运营商完全颠覆其网络建设策略。
mMIMO增加了网络覆盖的灵活性，运营商可以利用mMIMO的水平和垂直覆盖特性来提供不同场景下的覆盖。
采用惊人的高容量增益，mMIMO有望帮助运营商使用机器灵活的计费政策来吸引用户，提供无与伦比的用户体验，刺激用户数据消费，获得话务收益，增加运营商收入。
mMIMO与4G终端兼容，运营商现在就可以从4G网络部署中获取收益。同时，它还支持面向5G的网络演进，从而保持和提升现有投资的回报。
1. 介绍
1.1. 背景
2G时代话音和短信业务为主，3G时代website和数据业务为主，4G时代则以视频和在线游戏为主。随着业务的变化，用户对网络容量和时延的需求越来越强烈。未来2018年，虚拟现实和增强现实类应用则将会大力发展，从而带来数据流量的激增。根据Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update,2015–2020的预测，从2015年到2020年，移动数据业务的年度复合增长率将会达到53%，如下图所示：
为了应对上述挑战，LTE网络中引入了mMIMO技术，来提升频谱效率、信道容量和链路可靠性。5G会采用更高的频段，而LTE TDD在部署高频段mMIMO方面具有明显的优势。
1.2. 白皮书的目的
4G向5G演进过程中，mMIMO多天线技术对运营商来说，起着重要的作用。话务快速增长条件下，如何利用现有的LTE投资来不断地满足话务需求，如何保持现有4G网络的收益，如何进行4G演进以满足垂直行业和应用的发展需求，对运营商来说极为重要。这些需求对网络都带来新的需求。ITU在最终定义5G需求并进行标准制定的时候，如何满足频谱效率的需求也是运营商优先关注的问题。
LTE TDD在采用mMIMO方面具有内在的优势。为了在4G和5G部署中采用mMIMO技术，本白皮书描述了技术原则以及测试结果，可作为运营商和行工业伙伴在4G演进和5G部署方面的参考资料。
白皮书包括以下内容：
mMIMO原理和TDD方面的优势
典型场景下mMIMO的测试结果
4.5G和5G系统中mMIMO的商用路标
mMIMO商用产品的需求和进一步增强
2. mMIMO的原理
2.1 mMIMO的基本原理
mMIMO作为5G的一个候选技术，通过在基站侧采用大量天线来提升数据速率和链路可靠性。在采用大天线阵列的mMIMO系统中，信号可以在水平和垂直方向进行动态调整，因此能量能够更加准确地集中指向特定的UE，从而减少了小区间干扰，能够支持多个UE间的空间复用。
采用大量收发信机(TRX)与多个天线阵列，可以将波束赋形与用户间的空间复用相结合，大力提升区域频谱效率。
简而言之，mMIMO系统定义为：
大量收发信机(TRX)
空间复用特性
多用户调度(MU-MIMO)
上下行方向上的大量高增益天线阵列
2.2 TDD在mMIMO实施中的优势
在mMIMO中采用TDD技术有助于在频谱效率、网络性能和容量方面提供较大的优势，同时便于从4G演进到5G网络。
由于上下行信道间的互易性，TDD基站能够得到完整的非量化的下行信道状态信息，从而能够采用更加灵活和准确的波束赋形技术提升小区覆盖和吞吐量。基于更加准确的非量化的信道状态信息，TDD系统中的多用户调度更加灵活和准确，因此增加了系统容量。反之，FDD基站仅能够通过UE反馈的码本得到量化的信道状态信息，从而制约了波束赋形和调度的灵活性。
TDD系统中的信道互易性如此之强，因此能够天然地适用于64个以上天线的波束赋形。部署TDD mMIMO的另外一个好处就是现有的商用3GPP R8/R9 UE无需升级即可使用。
3. 典型场景下mMIMO的测试结果
mMIMO与现有的协议和终端相兼容，可以通过系统侧软硬件升级来部署。该技术大力提升了网络覆盖、频谱效率、平均小区边缘用户吞吐量以及商用用户体验。mMIMO已经在商用网络中进行了测试，在一些典型场景中获得了显著的性能。在大容量热点场景下，mMIMO采用空间复用来为更多用户提供服务，从而增强了网络容量。在3D覆盖场景下，mMIMO技术提供了灵活的波束赋形容量，可以更好地为高层建筑中的用户提供服务。
3.1 典型应用场景
3.1.1 热点场景
当前，数据业务量的特点就是在20%的热点区域内产生超过70%以上的流量，如市区CBD、商业中心、交通枢纽、居民区、大学校园等，都具有同样的特点，即人流集中、话务负荷高、容量不足等。mMIMO可以提供较高的空间复用增益和较强的波束赋形能力，从而满足这些区域内的容量需求。
3.1.2 3D覆盖场景
高层建筑内，网络覆盖通常较差，且覆盖增强面临多项挑战，比如：
需要采用多个天线提供高层覆盖，但是站点难以获取。
信号穿透墙壁后会变得很弱。
上行信号传输增加了建筑物中的小区间干扰。
高层建筑中的话务通常比较集中(intensive)，为了满足话务需求，mMIMO具有以下独有的特性：
垂直面采用大量天线阵列，显著增强了高层覆盖。
采用波束赋形增益弥补了穿透损耗。
灵活地按需进行波束宽度和方向的调整，降低小区间干扰，增强3D覆盖和容量。
3.2 峰值吞吐量测试
在北京的典型室外场景下测试峰值速率，多个UE进行满buffer下载，图中采用黄星表示。mMIMO基站采用64收发信机(TRX)天线，而当前商用基站仅采用了8TRX。
mMIMO下，基站下行峰值吞吐量为660Mbps，是8TRX天线的6倍(600%)。
3.3 商用网络中的性能
目前，mMIMO已经在商用网络中进行了部署，在只有商用终端条件下，mMIMO性能KPI如何变化是本章分析的内容。
3.3.1 热点场景
北京某个校园环境下，mMIMO显著提升了系统容量。KPI监测显示，商用终端non-full buffer话务条件下，相对于8TRX，64TRX的上下行频谱效率分别提升255%和305%。
3.3.2 3D覆盖场景
北京某站下，mMIMO显著提升了高层居住区的覆盖性能。相比8TRX，64TRX减少了垂直面的覆盖空洞。
4. mMIMO如何从4.5G演进到5G
4.1 mMIMO到5G的演进之路(Roadmap)
在4G到5G的演进过程中，LTE TDD mMIMO希望在商用部署和发展方面得到更大应用。下面为mMIMO从4G演进到未来5G系统的路标。
4.2 目前阶段mMIMO商用产品概览
4.2.1 华为mMIMO产品
4.2.2 中兴mMIMO产品
4.3 mMIMO进一步增强以支持3GPP Rel 13/Rel 14终端以及5G
4.3.1 基站演进
4.3.1.1 增强综合容量并降低大规模部署的成本
mMIMO是当前移动通信系统中最具破坏性(disruptive)的技术演进，它利用多天线技术显著提升频谱效率、满足网络大容量的需求。在主要移动运营商的带领下，业界持续努力，将mMIMO从实验室样机变成了商用产品，并成为获取网络容量快速增长的主要手段。
未来数年，mMIMO大规模商用部署成本需要进一步降低，工程规范需要持续改进，以便mMIMO能够迅速部署，并在低功耗条件下工作。
从4G到5G演进过程中，业界需要考虑如何共享4G和5G的设备硬件、频谱、功率以及其他资源，以便mMIMO顺利演进到5G。
4.3.1.2 到5G的顺利演进
5G规范尚未终结，当前，空口候选方案包括：
波形技术：基于OFDM，可能存在新波形如f-OFDM等。
帧结构：多种参数集，1ms或者更短的TTI，自包含子帧，动态TDD，灵活全双工
多址接入技术：正交复用多址，非正交复用多址
调制技术：高阶调制，如下行1024QAM，上行256QAM
编码技术：LDPC码和Polar码
从系统级来看，这些候选技术或者完全由基带单元处理，或者独立于RF硬件来处理。因此，仅通过基带单元的硬件增加或者更换]以及mMIMO RF单元的软件升级，就可以应用5G基带单元，升级到5G系统了。
mMIMO产品中需要考虑相关的增强，这对5G硬件的提前具备、升级支持5G新空口相关功能、5G的部署等方面都相当重要。
4.3.2 终端演进
终端是无线网络中的重要组成部分，终端技术的发展使得终端能够在mMIMO环境下工作，充分利用mMIMO的技术特性，显著提升单用户容量和网络容量。
终端侧将从以下方面演进，以更好地支持mMIMO技术：
支持3GPP R13、R14和R15中定义的mMIMO优化，以提升网络性能。
终端支持4或8接收天线，以支持下行的4或者8层，提升单用户性能。
支持上行多天线传送技术，如天线选择性发送SRS，以支持2/4/8层下的上行单用户发送以及上行波束赋形，增强上行单用户速率和覆盖。
支持更高发射功率，提高上行覆盖。
5. 结论
LTE TDD具备一些内在特性，有利于采用mMIMO技术。在4G演进过程中采用大规模天线技术，可以显著提高频谱效率，尤其在容量需求大、覆盖要求高的地区，使4G网络满足4.5G时代网络需求增长的要求。这项技术需要5G硬件提前支持此功能，并通过软件升级提供5G空口功能，方便5G部署。先网测试结果证明，mMIMO技术在一些典型场景下具有明显的好处，如热点高容量地区以及高覆盖需求场景下。这项革命性的技术为4G网络的演进和未来5G网络的部署以及业界的进步奠定了坚实的基础。