5G通信系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是大規(guī)模陣列天線技術(shù)，俗稱3D-MIMO天線技術(shù)。在4G實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境中，3D-MIMO天線就已經(jīng)進(jìn)行了規(guī)模部署，可以實(shí)現(xiàn)覆蓋增強(qiáng)，同時(shí)有效地緩解容量所帶來的壓力。為了更好地了解3D-MIMO技術(shù)關(guān)鍵原理以及應(yīng)用實(shí)踐，有必要從基本的MIMO技術(shù)原理入手，抽絲剝繭進(jìn)行解讀。

SU-MIMO技術(shù)（單用戶MIMO技術(shù)）

單用戶MIMO技術(shù)通過空分復(fù)用實(shí)現(xiàn)了單用戶在相同時(shí)頻資源內(nèi)的吞吐量提升。MIMO技術(shù)廣義包含兩個(gè)范疇，其一是傳輸分集，其二是空分復(fù)用，從信息論的角度來看，發(fā)射分集的數(shù)據(jù)屬于同一“份”數(shù)據(jù)源，而空分復(fù)用則是利用了“空間”這個(gè)資源實(shí)現(xiàn)了兩“份”不同數(shù)據(jù)源的同時(shí)傳輸。

LTE系統(tǒng)的MIMO技術(shù)通過基帶預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)了以上兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。LTE中通過SFTD（空頻傳輸分集）+FSTD（頻率交換發(fā)射分集）技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開環(huán)傳輸分集，而空分復(fù)用又包含了三種工作方式，分別是大延遲CDD空分復(fù)用、閉環(huán)空分復(fù)用和單層閉環(huán)空分復(fù)用。

要了解以上具體的實(shí)現(xiàn)方案，首先需要對(duì)于一些基本的術(shù)語概念進(jìn)行澄清。

碼字（Codeword），碼字是一個(gè)子幀中在物理信道傳輸?shù)囊幌盗行诺谰幋a比特，一個(gè)碼字對(duì)應(yīng)了一個(gè)傳輸塊（Transport Block, TB），是傳輸塊經(jīng)過信道編碼之后的產(chǎn)物，一個(gè)調(diào)度子幀（TTI）中最多傳輸兩個(gè)碼字，也意味著同時(shí)最多能傳輸兩個(gè)TB。

層（Layer），碼字經(jīng)過調(diào)制之后的一系列復(fù)數(shù)符號(hào)需要映射為層，國內(nèi)一些文獻(xiàn)容易翻譯成“流”，為了術(shù)語的嚴(yán)謹(jǐn)和一致性，我們還是愿意稱之為“層”。一個(gè)碼字調(diào)制之后的一系列復(fù)數(shù)符號(hào)可以映射為1層，也可以映射為多層。不同工作模式下，碼字與層有不同的映射關(guān)系，可以認(rèn)為層是碼字的一種進(jìn)一步分割，也是為了預(yù)編碼處理的一種中間過程。LTE系統(tǒng)中，對(duì)于單天線端口，只存在單層與其映射，同時(shí)意味著只存在單碼字傳輸。而對(duì)于傳輸分集的模式，存在兩種層映射的工作方式，分別是2層和4層，與之對(duì)應(yīng)的也只有單碼字的工作方式。對(duì)于空分復(fù)用的工作方式，在層映射中需要遵從的一個(gè)原則就是層的數(shù)量應(yīng)該小于等于天線端口數(shù)。對(duì)于單碼字映射多層這種情況，僅僅在CRS天線端口為4或者UE專屬RS的天線端口為2或者更多的條件下會(huì)出現(xiàn)。無論是空分復(fù)用還是傳輸分集工作方式，通過碼字到層的映射之后，每層所包含的符號(hào)數(shù)是一致的?？辗謴?fù)用工作模式中，單碼字可分別映射為1、2、3、4層，雙碼字可分別映射為2、3、4、5、6、7、8層。5G NR系統(tǒng)中取消了傳輸分集模式，取而代之是基于空分復(fù)用模式的碼字與層映射關(guān)系，單碼字可以分別映射為1、2、3、4層，而雙碼字則分別可映射為5、6、7、8層。

預(yù)編碼（Precoding），預(yù)編碼技術(shù)是將已分割好的各層所包含的信息進(jìn)行編碼映射到天線端口進(jìn)行傳輸?shù)倪^程，不論對(duì)于單天線端口工作方式，還是多天線端口所涉及的傳輸分集或者空分復(fù)用都是必要的過程。對(duì)于單天線端口，映射原則比較簡單，單層所包含的符號(hào)與單天線邏輯端口符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，這種情況現(xiàn)網(wǎng)中一般室分場景會(huì)出現(xiàn)，室分配置單端口，不存在傳輸分集或者空分復(fù)用的工作方式。

空分復(fù)用工作方式下碼字到層的信息映射流程是進(jìn)行空分復(fù)用預(yù)編碼的唯一前提，承襲這一流程，空分復(fù)用預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)了層到天線端口的信息映射。目前LTE協(xié)議中支持空分復(fù)用天線端口數(shù)為2或者4，基于小區(qū)公共參考信號(hào)的空分復(fù)用預(yù)編碼技術(shù)有三種實(shí)現(xiàn)方式，分別是無循環(huán)延遲分集（Cyclic delay diversity, CDD）的預(yù)編碼方案（Precoding without CDD）、大延遲CDD預(yù)編碼方案（Precoding for large delay CDD）和基于信道狀態(tài)反饋（CSI）的碼本選擇（閉環(huán)空間復(fù)用和單層閉環(huán)空間復(fù)用）。

Precoding without CDD的空分復(fù)用預(yù)編碼方案符合如下定義：該天線預(yù)編碼矩陣從eNodeB和UE預(yù)先各自配置的碼本（Codebook）中進(jìn)行選擇（注：碼本是可供選擇的預(yù)編碼矩陣的集合）。預(yù)編碼矩陣不僅實(shí)現(xiàn)了層到天線端口信息的映射和轉(zhuǎn)換，同時(shí)還為每一天線端口均等的分配發(fā)射功率，該預(yù)編碼方案并沒有進(jìn)行循環(huán)延遲處理，這樣的設(shè)計(jì)盡管在模擬實(shí)現(xiàn)空分中各個(gè)支路的相關(guān)性較強(qiáng)，但解碼處理比較簡單，結(jié)合閉環(huán)PMI進(jìn)行碼本反饋的方式仍然可以得到較好空分效果，在LTE協(xié)議中下行傳輸模式TM4使用這種預(yù)編碼方式，一般用在上下行頻率互異的FDD系統(tǒng)中。

Precoding for large delay CDD的空分復(fù)用預(yù)編碼方案相比沒有CDD的預(yù)編碼方案通過引入相位偏轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)了循環(huán)延遲分集。LTE系統(tǒng)中采用支持較大延遲的CDD技術(shù)，這樣保證空間不同路（注：這里的“路”定義為空口中通過不同天線端口傳輸?shù)男盘?hào)，不能與層的概念混淆）的信號(hào)經(jīng)歷的信道環(huán)境變化足夠大，人為地制造出了信道之間的不相關(guān)性，確保MIMO的接收性能。無循環(huán)延遲和大循環(huán)延遲兩種預(yù)編碼方式都可以通過碼本索引和傳輸層數(shù)共同確認(rèn)。

傳輸分集預(yù)編碼只針對(duì)單碼字傳輸進(jìn)行處理，并且層個(gè)數(shù)應(yīng)該與天線端口數(shù)保持一致，根據(jù)3GPP規(guī)范目前定義，基于小區(qū)公共參考信號(hào)傳輸分集如同空分復(fù)用工作方式一樣，只支持2天線端口和4天線端口的配置方式。傳輸分集并沒有在同樣的時(shí)頻資源上實(shí)現(xiàn)不同信息的復(fù)用傳輸，而使通過復(fù)用不同的時(shí)頻資源實(shí)現(xiàn)相同信息的傳輸從而提升了信息接收的可靠性。值得一提的是，對(duì)于單層的空分復(fù)用更像一種多徑設(shè)置，嚴(yán)格意義來講并不屬于傳輸分集范疇，在實(shí)際應(yīng)用中更多作為MU-MIIMO配對(duì)使用。

MU-MIMO技術(shù)（多用戶MIMO）

多用戶MIMO顧名思義是將單用戶MIMO技術(shù)擴(kuò)展配對(duì)為多用戶接入，即占用相同時(shí)頻資源的多個(gè)并行的數(shù)據(jù)發(fā)給不同用戶（下行）或不同用戶采用相同時(shí)頻資源發(fā)送數(shù)據(jù)給基站（上行）。從基站側(cè)來看，這本質(zhì)上與傳統(tǒng)的SU-MIMO在工作方式維度來看沒有太大的區(qū)別，最重要的特點(diǎn)是如何將這些分布在不同空間范圍內(nèi)的不同用戶有機(jī)地“配對(duì)”，根據(jù)香農(nóng)公式對(duì)于MIMO技術(shù)的容量定義，取決于總體傳輸效率的兩個(gè)關(guān)鍵因素是信道的信噪比以及信道的相關(guān)程度，所謂“配對(duì)”需要做的工作是將具有合適信噪比和信道條件的用戶合理地組合，基站側(cè)需要通過UE上報(bào)CSI（CQI/PMI）以獲取用戶的信道條件。對(duì)于終端而言，需要獲知自身是否已被配對(duì)為MU-MIMO的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由于用戶之間并不知道彼此的信道條件，因此需要基站明確通知UE以確定的碼本進(jìn)行解碼。LTE系統(tǒng)中定義的下行TM5傳輸模式即為MU-MIMO，這也是一種閉環(huán)空分復(fù)用的工作方式。協(xié)議中規(guī)定UE假定基站是以單層進(jìn)行傳輸?shù)?，即RI=1，因此一般設(shè)備實(shí)現(xiàn)中對(duì)于單用戶也是分配了單層映射，當(dāng)然也只能是單碼字傳輸。所以對(duì)于MU-MIMO模式下最多能夠配對(duì)的用戶取決于基站側(cè)配置天線端口數(shù)（假設(shè)終端都支持MU-MIMO），配置為2端口傳輸?shù)幕咀疃嗄軌蛟谕瑯拥臅r(shí)頻資源上配對(duì)復(fù)用2個(gè)用戶，而配置為4端口傳輸?shù)幕咀疃嗄軌蛟谕瑯拥臅r(shí)頻資源上配對(duì)復(fù)用4個(gè)用戶。UE通過解碼PDCCH DCI格式1D能夠獲取TM5傳輸模式下碼本信息，對(duì)于正在“配對(duì)”中的用戶，碼本理論上是不同的，否則無法保持不同用戶傳輸信息的預(yù)編碼正交性。

3D-MIMO天線技術(shù)（Massive-MIMO）

3D-MIMO的官方名稱叫作Massive-MIMO，其實(shí)就是一種高增益的陣列天線。相比傳統(tǒng)的8T8R天線，不僅實(shí)現(xiàn)了水平面的賦型，同時(shí)也利用更多的振子和通道實(shí)現(xiàn)了垂直面的賦型。天線賦型技術(shù)是通過不同通道電調(diào)陣子相位實(shí)現(xiàn)對(duì)于某一方向窄波束的匯聚從而實(shí)現(xiàn)輻射能量的增益，對(duì)于8T8R而言，在垂直方向上所有振子歸屬一個(gè)通道，因此無法實(shí)現(xiàn)垂直維度的賦型，而3D-MIMO天線通過垂直維度的通道隔離實(shí)現(xiàn)不同通道內(nèi)所含振子的獨(dú)立電調(diào)從而完成了垂直維度的賦型。對(duì)于LTE廣播信道而言，3D-MIMO不進(jìn)行類似PDSCH的賦型，而是通過32個(gè)雙極化通道（64通道）中每個(gè)極化通道的權(quán)值進(jìn)行波束優(yōu)化調(diào)整。

LTE中除了TM5的MU-MIMO工作方式，TM7/8/9/10也可以提供MU-MIMO的傳輸方式。與TM5通過明確預(yù)編碼矩陣實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用的機(jī)制有所不同，TM7/8/9/10通過天線通道的權(quán)值賦型技術(shù)并結(jié)合空間信道的特征匹配實(shí)現(xiàn)了多用戶空分復(fù)用。TM7/8/9/10傳輸模式下對(duì)于MU-MIMO的實(shí)現(xiàn)與信道條件準(zhǔn)確評(píng)估密切相關(guān)。

傳統(tǒng)8T8R天線下TM7單端口傳輸方式是典型的單用戶賦型技術(shù)。在TD-LTE?3D-MIMO系統(tǒng)中，基站根據(jù)不同用戶上報(bào)的SRS評(píng)估信道，并結(jié)合大規(guī)模陣列天線多通道進(jìn)行編碼賦權(quán)，在基站側(cè)實(shí)現(xiàn)了多用戶空分復(fù)用傳輸配對(duì)。從終端角度觀察，解碼出來的依然是以單天線端口進(jìn)行傳輸?shù)腡M7模式，而且對(duì)于其他配對(duì)終端無感知；從空間信道角度觀察，基站好像向空間特定位置多個(gè)用戶分別發(fā)出了多個(gè)定向窄波束，彼此之前無干擾，實(shí)現(xiàn)了完全物理維度“硬”空分，但其本質(zhì)與TM5的預(yù)編碼實(shí)現(xiàn)多用戶空分一樣，都是基于預(yù)編碼矩陣計(jì)算實(shí)現(xiàn)，只不過TM5的預(yù)編碼碼本矩陣基站和終端進(jìn)行了預(yù)先約定，而TM7的預(yù)編碼完全實(shí)現(xiàn)在基站一側(cè)，對(duì)于終端而言是透明的。

UE在TM8傳輸模式下通過解碼PDCCH DCI格式2B可以獲取是否是單碼字傳輸還是雙碼字傳輸。在LTE 3D-MIMO大規(guī)模陣列天線應(yīng)用之前，傳統(tǒng)的8T8R天線通過極化方式實(shí)現(xiàn)單用戶TM8 模式的“雙層傳輸”，該方案本質(zhì)上屬于開環(huán)空分復(fù)用，但由于空間傳輸信道中極化正交性無法完全保障，因此這種實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)際應(yīng)用中效果并不理想。在大規(guī)模3D-MIMO天線部署之后，TM8傳輸模式可通過賦型預(yù)編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在某些無線設(shè)備廠商實(shí)現(xiàn)中，TM8模式下的“雙層傳輸”不僅可以支持SU-MIMO空分復(fù)用，也可以支持MU-MIMO配對(duì)空分復(fù)用。

TM9傳輸模式是TM8傳輸模式的擴(kuò)展。TM9同樣支持單用戶以單碼字或者雙碼字進(jìn)行傳輸?shù)目辗謴?fù)用。當(dāng)PDSCH以單碼字單層傳輸時(shí)，特定情況下可以降階等價(jià)于TM8單端口，最大可實(shí)現(xiàn)4層SU-MIMO空分復(fù)用。當(dāng)PDSCH以雙碼字傳輸時(shí)，最大可實(shí)現(xiàn)8層SU-MIMO空分復(fù)用。

TM10傳輸模式可支持多基站聯(lián)合CoMP技術(shù)，基站可以利用上報(bào)RSRP測量值以及CSI報(bào)告激活CoMP傳輸。TM10同樣可以支持最大單用戶8層傳輸，除此之外還增加了新碼本集合，并且支持CSI-RS參考信號(hào)以beamform的形式進(jìn)行發(fā)射，另外CSI-RS配置可以通過周期、非周期（半靜態(tài)）的方式進(jìn)行配置，CSI上報(bào)可以通過周期、半持續(xù)或周期方式實(shí)現(xiàn)。TM10和TM9可以配置多個(gè)CSI-RS資源，UE可通過CRI（CSI-RS resource indication）明確所上報(bào)的CQI是基于具體哪個(gè)CSI-RS資源配置進(jìn)行測量上報(bào)。

LTE中3D-MIMO大規(guī)模陣列天線提升容量有兩方面維度，一方面是通過提升某一方向的陣列增益提升PDSCH的覆蓋效果提升用戶吞吐率或者激發(fā)更多的業(yè)務(wù)需求，但是LTE廣播信道并不具備賦型條件，因此討論3D-MIMO是否能夠通過提升覆蓋來提升系統(tǒng)容量是需要建立在廣播信道不受限的前提下。另一方面，3D-MIMO能夠通過單用戶SU-MIMO多層傳輸或者通過MU-MIMO用戶配對(duì)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)吞吐率的提升。

3D-MIMO是一次產(chǎn)業(yè)先行，推進(jìn)3GPP標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的良好實(shí)踐。隨著3D-MIMO技術(shù)的日臻完善，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也會(huì)不斷成熟，從這一點(diǎn)來看，LTE標(biāo)準(zhǔn)的未來演進(jìn)方向與5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是趨同的。