5G中的3D-MIMO大规模阵列天线详解

5G NR 中最重要的射频技术变革就是 3D-MIMO 大规模阵列天线技术的应用，以至于相当一部分 NR 物理层架构设计内容都是围绕该技术进行适配更新，这里以对比的视角对 5G 系统中的 3D-MIMO 天线技术进行介绍。

由于 5G 在系统设计时已经取消了小区级参考信号，因此天线端口信号传输都基于 UE 专属参考信号（DMRS）进行信道评估。为了使得“层”到天线端口传输数据的映射更加统一和简化，NR 标准在下行共享信道实现中索性彻底取消了 LTE 中基于小区级参考信号的预编码矩阵方案，而使用类似 LTE 中通过 3D-MIMO 天线技术实现的赋形预编码方案进行 SU/MU-MIMO，同时随之简化掉的是复杂的传输模式类型 TM1-TM10。当然，传输分集模式也没有进行定义，基站侧用波束赋形进行了更新。对于空分复用，NR 下行共享传输信道最多可实现双码字 -8 层映射，UE 通过解码 PDCCH DCI 格式 1-1 获取传输码字信息，以及相应的天线端口信息，对于 DMRS 配置类型 1 的最大双码字 -8 层传输天线端口映射为{1000～1007}，对于 DMRS 配置类型 2 的最大双码字 -8 层传输天线端口映射为{1000，1001，1002，1003，1006，1007，1008，1009}。采用这样的设计思路主要有两方面的优势，首先，网络基站侧对于 UE 关于传输模式变化不再借助于高层信令半静态进行传递，UE 完全通过物理控制信道动态解码获取，这样交互时延大大缩短。另外，随着取消传输模式类型定义，承载传输模式类型转化的高层信令也同时简化，减小了网络与终端侧信令负荷开销。

如同 LTE 在 R10 以后引入 CSI-RS 的理念一致，NR 中的 CSI-RS 设置同样是一个决定大规模阵列天线 SU/MU-MIMO 多流传输效果非常重要的参数。目前协议版本中，LTE 与 NR 最大可配置 CSI-RS 天线端口数均为 32，该数值与 3D-MIMO 天线设备通道赋形权值能力紧密相关。NR 中 CSI-RS 参考信号的配置方式有三种，可以被配置为周期传输类型，也可以通过高层信令半静态地配置为非周期或者半持续传输类型。尽管在 NR 中 CSI-RS 参考信号本身被赋予了更丰富的内涵，例如 UE 可以通过 CSI-RS 进行时频域位置精确锁定、基于波束切换的移动性测量，但结合 3D-MIMO 天线技术，基于 CSI-RS 对应的 PDSCH 参考资源的测量进行信道质量上报（CQI）以及闭环预编码码本索引（PMI）以供基站进行赋形预编码矩阵选择，这一过程仍然是其最典型的应用价值所在。除此之外，与之相关的 CSI 上报信息还包含 CRI（CSI-RS resource indicator）上报、LI（layer indicator）上报以及 SSBRI（SSB resource indicator）上报。由于 CSI-RS 可以进行多个资源配置，UE 通过 CRI 明确了与 CSI 上报相关的测量资源。LI 表征 PMI 所对应预编码矩阵的某一列，而该列恰好是具有最好传输信道条件下码字所对应最强的层映射。如果在连接态 UE 需要针对物理层信道 RSRP 测量上报，可以将 CSI 上报配置为基于 cri-RSRP 或者 ssb-Index-RSRP，如果采取后者就需要结合 SSBRI 明确测量的 SSB 端口，这种设计其实赋予 UE 更多的灵活性，在连接态下既可以通过测量 CSI-RS 评估信道覆盖情况，也可以通过 SSB 波束来进行评估，这些信息反馈给基站，基站根据特定的算法可以综合进行优化调整。

5G NR 在 PMI 基于码本反馈方面的设计相较 LTE 复杂很多，一共分为 Type I 和 Type II 两大类型，每种类型又包含了两类子型。这两大类型主要的区别在于码本精度不同，同时伴随的 PMI 反馈开销也不同。Type I 分为单天线阵列板码本和多天线阵列板码本，多天线阵列板码本使用场景类似于 LTE 传输模式 TM10 中多小区联合 ComP 技术可以实现多 AAU 联合传输，多天线阵列板码本使用时需假设面板之间传输信号相位恒定，目前协议定义在 CSI-RS 端口为 8、16、32 下，可配对多天线阵列板个数为 2 或 4。Type II 在 Type I 基础上进一步提升了反馈码本的精度，当然反馈开销也较大，目前协议规定基于该种 PMI 反馈类型下，信道的秩（RI）不超过 2。Type II 通过终端选择测量 CSI-RS 窄波束上报，并结合幅度以及相位反馈信息辅助基站逼近理想赋形权值性能，值得注意的是，通过高层参数定义的 Type I 码本子集限制规定了特定码本子集是否可选，而 Type II 码本子集限制则规定了特定码本相关上报幅值的上限。Type II 子类型 2 上报基于极化方向的端口权值码本，基站可以结合特定 CSI-RS 赋型预编码矩阵进一步提升空间波束赋形精度。

5G NR 上行共享信道可以选择基于码本和非码本两种传输方式，这两种传输方式都通过 UE 解码 PDCCH DCI 格式 0_0、DCI 格式 0_1 或者半静态配置方式进行资源调度。基站通过高层参数 txConfig 配置决定 UE 是否使用码本传输方式，如果该参数没有配置，上行共享信道传输模式采取单天线端口模式，此时，UE 不期望传输资源由 PDCCH DCI 格式 0_1 进行调度，但是可以由 DCI 格式 0_0 进行调度。为了更好地利用基站多天线阵列基于终端 SRS（Sounding Reference Signal）上报评估信道相关性从而实现多波束赋形，5G 终端可以支持 SRS 基于不同天线端口的轮发或并发，SRI（SRS resource indicator）是 SRS 资源配置的标识，可以用来明确轮发或并发 SRS 信号。

上行共享信道码本传输与非码本传输本质区别在于基站侧是否下发码本指示（TPMI）以辅助终端进行预编码矩阵选择，对于这两种传输模式，可选择的预编码矩阵集合是一样的。

码本传输方式中，有别于 LTE 终端需要根据基站指示 TPMI（Transmitted Precoding Matrix Indicator，宽带预编码矩阵指示），信道秩的个数进行码本传输选择，而 5G 终端可以基于 DCI 动态调度或者高层参数半静态调度下发的 SRI、TPMI 和传输信道秩 RI 自主决定预编码码本，这种方式赋予了终端一定的灵活性。基站在码本选择时需参考 SRS 信号，下发 TPMI 时需与对应 SRI 进行关联。非码本传输模式中，根据信道互易性原则，终端可以通过测量高层预先与 SRS 关联配置的一个 NZP-CSI-RS 资源评估下行信道从而选择上行预编码矩阵，值得一提的是，为了更好地通过互易性评估，非码本传输模式下只能配置一个 SRS 资源集合，一个资源集合最大配置 4 个 SRS 资源，每个 SRS 资源只能配置一个 SRS 端口，另外 SRS 也可以进行预编码，这样的设计主要为了适应今后 5G 终端不断升级也可以实现窄波束赋形。非码本传输模式相比码本传输模式节省了码本指示信息开销。

5G NR 除了在下行共享业务信道中使用 3D-MIMO 的窄波束赋形技术，与 LTE 早期版本不同的是，目前下行控制信道以及物理信号也可以通过特定算法实现窄波束赋形，这样一方面不仅能够提升控制信道的信息解码成功率，另一方面通过与业务信道预编码矩阵相结合，能够进一步提升业务信道的空分复用效果。虽然控制信道赋形技术并没有明确在 3GPP 协议中体现，但主流设备厂商均已具备类似的算法和能力，不得不说这也是 5G 大规模阵列天线应用的一项实践创新。