FDDMassiveMIMO技术中多用户空分复用的研究.docx
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FDDMassiveMIMO技术中多用户空分复用的研究
FDDMassiveMIMO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MassiveMIMO技术来提升LTE网络的容量非常有价值。
通过对MassiveMIMO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，给出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；时频网络资源；空分复用
ResearchonMultiuserSpaceDivisionMultiplexingin
FDDMassiveMIMOTechnology
XIEWusheng，DONGDilang
[Abstract]Though5Gtechnologycomes，LTEnetworkstillexistsinthefuture.Itisvaluablethat5GMassiveMIMOtechnologyisusedtoenhancethecapacityofLTEnetwork.MU-MIMOtheorybasedonMassiveMIMOtechnologytoenhancecapacityisanalyzed.TheMU-MIMOtechnologyinTM9andTM3/TM4modesisimplemented.Itistestedinexistingnetworksandachievesthedesiredeffect.Finally，thefactorstoaffectMU-MIMOperformancesuchasuserspacedistribution，numberofactiveusersanduserservicetypesareanalyzedquantitativelyandthesuggestionsontheapplicationofMU-MIMOinexistingnetworksarepresented.
[Keywords]MassiveMIMO；MU-MIMO；TM9；TM3/4；time-frequencynetworkresources；spacedivisionmultiplexing
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。
在这标准中，5GNR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？
艋菇？
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5GMassiveMIMO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-LTE网络中还未有真正的商
用。
MassiveMIMO技术提升网络容量，主要是利用MU-MIMO技术，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。
3MU-MIMO的理论研究
MU-MIMO是相对于SU-MIMO（单用户多进多出）提出来的，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1MU-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NTXNk的矩阵Ho假设发送给第k个用户的数据矢量为Sk,则第k个用户接收到的信号为：
yk=ELi=1HkSi+n=HkSHELi=1,i工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-LTE系统来说，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推出了TM9模式，使用CSI参考信号（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MassiveMIMO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]。
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。
4MU-MIMO的应用情况
4.1TM9模式的应用
在TM9模式下，由于增加了CSI-RS和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128Mb/s[3]。
理论上MassiveMIMO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，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MassiveMIMO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717Mb/s，平均单用户速率接近120Mb/s，如表1所示。
通常现网小区理论上吞吐率只有150Mb/s，而TM9模
式下MU-MIMO小?
A总吞吐率为717Mb/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-RS和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150Mb/s。
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112Mb/s，小区的总吞吐率达到450Mb/s，如表2所示：
表2TM3/TM4模式的MU-MIMO测试
UEPCIRSRP/dBmSINR/dBf均MCS平均调度的RB数
UE下行平均
速率/Mb?
s-1
UE151-53.222.923.797.9106.6
UE251-52.223.524.799.2114.3
UE351-53.123.124.599.2112.3
UE451-52.623.624.9899.4117.2
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，不一定能找出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FDDMassiveMIMO在商用网络中的MU-MIMO性能，进行了不使用MassiveMIMO、
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