5G NR 下行MIMO传输

通过前面几篇文章，我们已经知道NR波束赋形有三种实现方案，分别是模拟、数字和混合波束赋形。对于这些实现，应该同时考虑基于多波束的方法和基于单波束的方法。但是NR MIMO有哪些需要传输方案呢？

闭环MIMO

数字波束赋形：在这个系统中，一个RF波束将覆盖许多传播路径，因此基带波束赋形使得收发机具有基于CSI反馈传输一个或多个数据流的高度灵活性。为了便于理解，下面举几个例子。

Case a: UE反馈从GoB码本中选择的预编码器。基站可以调整基带预编码器，以便通过波束赋形与最佳方向对齐，参见图1（a），其中亮和暗颜色分别表示仅通过模拟波束赋形的RF波束和通过混合波束赋形生成的最终波束。

Case b：如果可以获得多个路径方向，则基站可以通过指向独立路径的多个波束来努力传输相同的层信息，见图1（b）。如果可以对波束进行加权并相干地组合成一个流，则接收机性能将进一步提高，就像使用特征向量来实现预编码一样。

Case c：如果秩足够，则这些不同层的流可以通过多个路径同时传输，即空间复用，参见图1（c）。

混合波束赋形：在这种结构中，基站可以使用多个TXRU来传输相同/不同的RF波束，同时优化模拟波束和基带预编码器。同样，有以下情况：

Case d：基站可以使用多个TXRU来发射相同的RF波束，随后数字预编码可以与这些TXRU相关联并进一步细化这些RF波束，参见图2（d）

Case e：基站可以使用不同的TXRU组来发射不同的射频波束，同一组内的TXRU可以细化波束宽度较窄的最终波束。数据流可经由若干路径传送到UE。多波束的精确组合权可以带来更大的波束赋形增益，见图2（e）；

Case  f：与情况e类似，但不同的波束可用于多层以实现空间复用，见图2（e）；

根据前面的分析，不同的TXRU/TXRU group可以看作一个虚拟TRP，混合波束赋形能够动态调整RF波束，实现虚拟TP之间的协调。与LTE的CoMP相比，vTP具有更小的覆盖范围和更大的灵活性。

在LTE中，单层/多层/TP/UE传输使用统一的框架。由于DMRS的灵活性，这些传输具有很好的透明度。在NR中，多波束传输也可以看作是多个虚拟TP之间的协同传输，这表明在统一的框架下可以实现单/多层/TP/UE传输。

接收端的波束赋形又是如何的呢？

考虑到成本和复杂性，当天线单元较多时，RXU数通常小于原件数，UE应首先使用RF波束来选择指向一条或多条路径的接收波束。

Case A：多个RXU共享同一个RF波束并从LOS路径接收信号，多个RXU的基带和接收权重进一步细化了该波束，如图3（A）所示；

Case B：多个RXU/RXU group对应的多个RF波束指向不同的方向。这种方法可以从不同的路径捕获更多的信号；

Case C：与例B相同，但不同的波束对应不同的层。

当发射和接收波束赋形以透明方式实现时，接收和发送之间会产生一些合作问题。更具体地说，承载传输信号的传播路径将不会被接收；或者，在接收波束覆盖的路径上不存在强功率。也会出现一些性能损失。这里提出了两种可能的解决方案：

1） 配置或预先指定选择性发射或接收方案的波束范围；

2） 采用盲检测的multi-shots DMRS。

前者会影响透明度，但后者会导致更多的参考信号开销。

开环MIMO

在LTE中，支持多种空间分集方案，例如SFBC和FSTD，对于NR-MIMO，控制信道和数据信道也需要空间分集方案。这些空间分集方案既可用于单波束方法，也可用于多波束方法。

SF（T）BC：多波束/TXRU/TP传输的信号可以用Alamouti编码，这在LTE下行传输中是很有前途的。然而，这项计划是不透明的，需要更多的标准努力。此外，该方案不具有可扩展性，很难灵活地支持不同数量的beam/TXRU/TP；

Switching：在数据传输过程中，多个波束/TXRU/TRP可以通过FSTD或TSTD相互切换。FSTD力求在不同的子载波组之间切换，但是TSTD要在不同的时域符号中实现这一点。一般来说，这两种方案都是不透明的。基站应向UE指示关于切换的信息。如果FSTD和TSTD的粒度分别是RBG或TTI，则可以实现用于上述波束赋形的透明度。

CDD：在不同的波束/TXRU/TRP传输时，可以在时域中加入一定的时延，相当于在频域中，每个频率的不同相位相乘，获得更多的分集增益。虽然它在分集性能上不如SFBC，但它是一种透明的方法，标准化的复杂性很小。

闭环空间复用的性能增益依赖于精确的CSI反馈。在某些情况下，无法获得准确的CSI，例如UE高速移动，或者基于非理想信道互易性获得的CSI不够准确。因此，基站可以使用半开环波束赋形来进行数据或控制传输。在图4（a）中示出了一个示例，基站使用可调范围内的多个窄波束进行传输。这些窄波束对UE可能是不可知的，并且基站可以基于UE反馈的长期/宽带PMI或基于SRS测量的粗略CSI来确定距离和波束宽度。这些波束可以在时域或频域中切换。另一个例子如图4（b）所示，如果多个波束对应于多条路径，则波束之间的切换意味着路径之间的切换，因此在高频下遭受路径阻塞时有利于控制信道的鲁棒性。

传输方案应尽可能不受UE的影响，因此，至少应将半开环波束赋形和闭环波束赋形的统一框架作为传输的起点。这里的统一框架意味着对DCI和DMRS设计的影响很小。闭环和半静态开环MIMO的架构能否统一取决于对切换粒度的要求，因此需要进一步研究和评估不同波束切换粒度的半静态开环MIMO的性能，以及性能和复杂度之间的折衷。