FDDMassiveMIMO技术中多用户空分复用的研究

1、FDD Massive MIMO技术中多用户空分复用的研究【摘要】5G技术越来越近，但是 LTE网络在未来还 将长期存在，利用5G的Massive MIMO技术来提升LTE网络 的容量非常有价值。通过对Massive MIMO技术提升容量的MU-MIMO理论进行分析，实现在 TM9和TM3/TM4模式下 的MU-MIMO技术，并且在现网中分别进行了测试验证，基 本达到了预期的效果。最后针对影响MU-MIMO性能的用户空间分布、激活用户数、用户业务类型等因素进行了定量分 析，给由MU-MIMO在现网中应用的指导建议。【关键词】 大规模MIMO;多用户MIMO;传输模式9; 传输模式3/4;时频网

2、络资源；空分复用Research on Multiuser Space Division Multiplexing inFDD Massive MIMO TechnologyXIE Wusheng, DONG DilangAbstract Though 5G technology comes , LTE network still exists in the future. It is valuable that 5G Massive MIMO technology is used to enhance the capacity of LTE network. MU-MIMO theory b

3、ased on Massive MIMO technology to enhance capacity is analyzed. The MU-MIMO technology in TM9 and TM3/TM4 modes is implemented. It is tested in existing networks and achieves the desired effect. Finally , the factors to affect MU-MIMO performance such as user space distribution , number of active u

4、sers and user service types are analyzed quantitatively and the suggestions on the application of MU-MIMO in existing networks are presented.Key wordsMassive MIMO; MU-MIMO; TM9; TM3/4 ; time-frequency network resources ； space division multiplexing 1引言5G非独立组网（NSA）标准已经于2017年12月份冻结， 这标志着5G技术已经逐渐步入商用。在

5、这标准中，5G NR将依靠LTE网络一起发展，以满足5G用户的需求提供一致的服务体验。同时，经过多年的网络建设部署， LTE网络已 经拥有广泛的网络覆盖和庞大的用户群体基础，并且现在已 经占据了 95%以上的移动业务流量。未来几年，在 5G终端 还未全面普及的情况下，LTE用？脑菇？继续保持增长，LTE仍 然是MBB服务的主要承载网络，LTE的流量还将继续增长，因此利用5G技术来提高LTE容量至关重要。2应用5G Massive MIMO提升4G网络根据中国IMT-2020 （5G）推进组发布的5G无线技术 架构白皮书，5G无线关键技术主要包括：大规模天线、超 密集组网、全频谱接入、新型多址技

6、术、新型多载波技术、 先进的调制编码技术、终端直通技术（D2D）、灵活双工、全双工、频谱共享等技术1。考虑到LTE网络还将持续存在较长的一段时间，如果能把这些5G的技术应用到4G网络中,这对提升现有网络的性能，持续推进网络的发展，将具有非 常重要的意义2。这些关键技术中，大规模天线技术不依赖 于5G网络，可以应用于现有的4G网络，它利用大规模阵列 天线，实现波束更窄、更精确的波束赋形，更高流数的多用 户空分复用等，提升网络容量和用户体验3,目前TD-LTE网络已经有初步的应用，但 FDD-LTEW络中还未有真正的商 用。Massive MIMO技术提升网络容量，主要是利用 MU-MIMO技术，

7、是在发射端发射多个用户相互独立的信号， 在接收端采用干扰抑制的方法进行解码，充分利用空间无线 资源，在不增加频率和功率资源的情况下，理论上空口信道 容量随着收发端天线对的数量线性增大，从而显著提高系统 网络容量4。多用户空分复用允许多个不用的用户在同一个 时频网络资源上传送数据，这些用户需要在空间上有一定的 隔离，避免相互干扰。3 MU-MIMO的理论研究MU-MIMO 是相对于 SU-MIMO （单用户多进多由）提由 来的，最早应用于 Wi-Fi中，目前已经在LTE网络中取得很好 的应用。在SU-MIMO中，空间复用的数据流调度给一个单 独的用户，分配给该UE的时频资源由该 UE独占，可以提

8、升 该用户的传输速率。而在 MU-MIMO中，空间复用的数据流 调度给多个不同的用户，这些用户通过空分的方式使用相同 的时频网络资源，利用用户彼此之间的空间隔离度进行区分， 达到多用户空间分集的增益。在MU-MIMO的通信网络中，如图 1所示，一个基站可 以和多个用户进行通信，此时基站配置了多根收发天线达到 更高的空间自由度，而用户端不需要配置多根天线，基站与 每一个用户都形成了一个 MIMO通道，整体系统就是MU-MIMO 系统。图1 MU-MIMO系统假设基站配置的天线数为 NT,第k个用户有Nk根接收 天线，基站到第k个用户的信道信息矩阵为 NTX Nk的矩阵Ho 假设发送给第k个用户的

9、数据矢量为 Sk,则第k个用户接收 到的信号为：yk=E Li=1HkSi+n=HkSHE Li=1, i 片 kHkSi+n (1) 在MU-MIMO的研究实现中，对接收端的信号检测是一个重要 的问题。在上行链路中，基站可以比较容易地获得用户上行 信道的状态信息，采用多用户检测的方法可以恢复每个用户 的发送信号。但在下行链路中，基站同时要向多个用户发送 信号，用户会接收到期望接收到的信号，同时还有来自其它 用户的干扰，由于是在同一个时频信道中进行通信，称为共 道干扰。因此，在多用户 MIMO系统下行链路中，需要消除或抑制共信道干扰5为了解决MU-MIMO下行链路多用户复用的干扰问题， 可以在

10、发射端或接收端进行干扰消除，但在接收端进行干扰 消除的处理复杂度很大，因此采用在发射端采用下行链路预 编码技术用于解决MU-MIMO下行链路用户之间互相干扰的 问题。发射端将层映射后的数据通过预编码处理，可以有效 地减小MU-MIMO下行传输中的多用户干扰，从而提高系统 容量6。对于FDD-LT京统来说，由于上下行信道频率不同， MU-MIMO实现的难点在于需要利用更精准的CSI反馈来进行下行信道的测试和预编码7。不同天线的信号以不同的路 径发送，每个天线端口需要一组参考信号才能获得准确的通 道状态测量。但是，更多天线端口也会导致更多的信道开销， 因此3GPP推由了 TM9模式，使用 CSI参

11、考信号（CSI-RS用 于信道测量和反馈，而解调参考信号（DMRS）用于数据解调。由于TM9模式下可以实现窄波束的波束赋形，使得用户之间的信道更加独立，从而大大减少了用户之间的干扰，并 确保了以相同时频网络资源传送数据的性能。目前研究的 Massive MIMO技术在TM9模式下最高可以实现 16流的复用, 也就是最高可以达到 8个用户双流的空分复用8 o现网中支持TM9模式的商用终端几乎没有， 为了适配现 网用户的终端，需要研究TM3/TM4模式下的MU-MIMO。目前在TM3/TM4模式下，可以把大规模阵列天线划分形成4个虚拟的天线扇区，虚拟扇区之间通过多天线的赋形增加空 间的隔离和空间的

12、辨识度，虚拟扇区都归属于同一个逻辑小 区，具有相同的PCI等小区属性。在TM3/TM4模式下实现的 MU-MIMO最多只能支持4个用户同时空分复用，系统的容 量比TM9模式会小一些，但对现网用户，理论上已经能达到 4倍的提升。4 MU-MIMO的应用情况4.1 TM9模式的应用在TM9模式下，由于增加了 CSI-R序口 DMRS参考信号产 生的开销，使得单用户的峰值速率只能达到约128 Mb/s3 o理论上Massive MIMO在TM9模式下可以实现最高 8个用户 的空分复用，在研究中为了验证 TM9模式下的MU-MIMO性 能，尽可能利用空间的隔离进行多个支持TM9模式UE测试终端分散分布

13、，但由于测试环境的限制，只能达到6个测试终端能有效空间隔离。利用大数据量的下载业务测试，并从 后台统计小区的总吞吐量。当 Massive MIMO小区使用TM9 模式时，现网中的正常用户终端均不支持TM9模式，因此小区的总吞吐量是测试终端的总吞吐量。通过测试可以发现，6个UE测试总速率达到 717 Mb/s ,平均单用户速率接近 120 Mb/s ,如表1所7Ko通常现网小区理论上吞吐率只有150 Mb/s ,而TM9模 式下MU-MIMO小？A总吞吐率为717 Mb/s,提升了约4.8倍。 测试终端相距较近时，由于空间隔离度不够，无法达到空分 的效果，这些终端只能进行频分，测试的系统总吞吐率

14、将会 下降。4.2 空载TM3/TM4模式的应用在TM3/TM4模式下，不需要增加 CSI-R序口 DMRS参考 信号，因此信道开销与现网一致，理论上每个 UE可以达到 峰值速率150 Mb/s o但在实际测试中，用户使用同一个时频 网络资源的空分复用时，即使在信号覆盖较好的情况下，系 统为了降低用户之间的相互干扰，MCS不会调度太高，系统为每一个用户调度的速率也远达不到理论速率，实际测试只 有约112 Mb/s，小区的总吞吐率达到 450 Mb/s，如表2所示：表2 TM3/TM4模式的 MU-MIMO 测试UE PCI RSRP/dBm SINR/d拜土M MCS 平均调度的 RB数 UE

15、下行平均速率/Mb?s-1UE1 51 -53.2 22.9 23.7 97.9 106.6UE2 51 -52.2 23.5 24.7 99.2 114.3UE3 51 -53.1 23.1 24.5 99.2 112.3UE4 51 -52.6 23.6 24.98 99.4 117.2在进行TM3/TM4模式的测试时，要达到系统的容量更大，需要4个用户在空间上具有一定的空间隔离度，如果其中的用户空间隔离度不够，将无法空分调度相同的时频网络 资源。4.3 商用网络的应用在实际的商用网络中，用户不会像研究测试中的测试终 端在空间分布上具有良好的空间隔离度，用户的分布受楼房 分布、时间等因素呈

16、不确定性，当大量用户进行通信时，系 统在进行多用户的空分调度时，不一定能找由具有良好空间 隔离度的多个用户同时进行空分复用。同时进行空分调度的 用户有可能会小于理论的 4个用户，使得系统的总吞吐率下 降。并且存在调度空分复用的用户会进行移动的情况，这有 时会破坏多用户之间的空间隔离度，有时也会导致系统总吞 吐率的下降。为了验证FDD Massive MIMO在商用网络中的 MU-MIMO 性能，进行了不使用 Massive MIMO、配置TM3模式的Massive MIMO、配置TM4模式的Massive MIMO这3种现网场景的 研究。在RRC最大激活用户数约120个的高负荷小区下，不 应用

17、Massive MIMO的普通小区下行业务平均速率达到约25Mb/s,而应用 TM3/TM4模式的 Massive MIMO技术后小区的 下行业务平均速率达到 44 Mb/s以上，小区的系统容量提升 了近1倍，如表3所示：5影响MU-MIMO性能因素的分析FDD Massive MIMO在进行 MU-MIMO 的用户调度中，会进行用户空间隔离度的计算分析，用户的空间分布将对 MU-MIMO的性能产生较大的影响，并且在用户量较大的情 况下MU-MIMO能找到空分配对的机会也相对较高。现网中 的普通用户进行数据业务时，除了视频等流媒体业务是使用 大包数据外，大部分的应用都是小包数据，数据包的大小也

18、 会对MU-MIMO 的性能产生影响。因此针对影响MU-MIMO性能的3个重要因素：用户空间分布、激活用户数、用户业 务类型进行了定量的分析。4.4 用户空间分布的影响FDD Massive MIMO空分复用要求各空分用户之间保持 一定的空间隔离度，这样才能增加空分倍数， 提升空分增益。 把用户相对于 FDD Massive MIMO小区的分布从左到右，分 成7个区间，如图2所示，横轴代表水平 7个波束方向。通 过统计可以得到，用户分布相对集中，主要集中在波束5,这种分布方式不利于产生更高的空分倍数。如果要达到更高 的空分倍数，要求用户在各个波束之间的分布相对均匀。图2用户空间分布图4.5 激

19、活用户数的影响FDD Massive MIMO小区在激活用户较高的情况下，即实际业务需求用户较多的情况下，空分的概率更大，从而空分 倍数会更高，提升空分增益。通过网管跟踪 Massive MIMO小区平均激活用户数与空分倍数的关系，空分倍数会随着用户平均激活用户数的增加呈线性增加，如图3所示：图3激活用户数与空分倍数关系图4.6 用户业务类型的影响FDD Massive MIMO空分？陀迷诧蟀？数据调度比例相对 较高的情况下能增加空分的概率，从而提高空分倍数，提升 空分增益。提取 Massive MIMO小区大包用户占比数据进行 分析：当大包数据调度比例小于50%时，系统的空分倍数得不到较大提升；大包数据调度占比达到60%后，系统的空分倍数可以有较大的提升，如图 4所示：图4大包调度与空分倍数关系图6结束语Massive MIMO技术在TD-LTE已经比较成熟，对于 FDD-LT既说还处于起步阶段，还未有成熟的商用部署。从 技术研究上来看，Massive MIMO技术通过波束赋形和 MU-MIMO技术，对于FDD-LT胴络系统容量的提升具有显 著的成效，随着国家对通信运营商提由的提速降费，用户使 用的数据流量还将继续爆发性地增长，不久的将来LTE网络扩容将面临越来越大的压力，Massive MIMO技术将是非常有 用的利器。通过对 Massive MIMO技术多用户空分复用