5G Massive MIMO前瞻

众所周知，目前使用的无线频谱已经非常拥挤。为了适应日益增长的无线业务和新兴的业务，必须探索更高的频率和更宽的带宽，例如centimeter wave, millimeter wave。相对而言，更高的频率有两个显著的特点：传播衰减严重和波长较短。一方面，由于空气和水蒸气的吸收，在较高频率上的传输会受到较大的路径损耗。因此，传输距离非常有限。另一方面，较短的波长使得能够部署具有给定孔径大小的更多天线单元。换言之，可以在发射机或接收机处装备大量天线单元，即large-scale MIMO或massive MIMO。在这种情况下，可以获得显著的波束赋形增益，可以用来补偿严重的路径损耗。从这个意义上说，更高的频率使得大规模MIMO的部署成为可能，而大规模MIMO可以延长更高频率的传输距离。

一般来说，有模拟波束赋形和数字波束赋形两种波束赋形方案。前者在射频前端完成，后者在基带后端完成。模拟波束赋形由一系列移相器简单实现。与数字波束赋形相比，模拟波束赋形的控制不太灵活且更粗糙，例如，除子载波控制粒度外，就是宽带控制。尽管数字波束赋形可以在波束控制中实现更高的精度和更大的灵活性，但是考虑到天线单元的巨大数量，使用纯数字波束赋形来驱动大规模MIMO系统在实践中是不可行的，即为每个天线单元配置一个单独的TXRU，由于无法忍受的成本和功耗。权衡两种波束控制方法的优缺点，应考虑折衷方案，例如每个TXRU可以驱动一组天线单元。通过模拟射频前端和数字基带的紧密配合，实现了波束赋形，即混合波束赋形。显然，混合波束赋形是大规模MIMO系统中最有前途的波束控制策略，应该得到支持。

为了获得尽可能大的波束赋形增益，显然优选闭环波束赋形。因此，CSIT（Channel State Information at the Transmitter）是必不可少的。更重要的是，由于形成的波束方向性极强，波束宽度很窄，而且随着波束轴线的空间偏移，所获得的波束赋形增益严重减小，因此CSIT，特别是空域的先验数据，必须具有比当前频谱范围更高的精度，也就是说，波束赋形损伤会增长。总之，工作在较高频率上的混合波束赋形对波束控制缺陷相当敏感，因此高精度的CSIT，特别是空域信息，是混合波束赋形系统必须具备的条件。

与纯数字波束赋形相比，模拟波束赋形新引入的灵活性非常有限，使得CSIT捕获比以往任何时候都更加复杂。对于基于PMI的方案，必须明确指出对应于所报告的PMI的相应模拟波束赋形矢量。此外，基于不同的模拟波束赋形向量，最有利的PMI可能不同。考虑到在混合波束赋形中，大部分增益由模拟部分提供，必须仔细计算模拟波束赋形矢量。如图1所示，一旦选择了模拟波束赋形矢量，不管数字波束赋形矢量如何变化，所形成的波束只能在模拟波束赋形矢量相关包络内操纵。为此，需要遍历模拟波束赋形的所有候选向量。遍历可以在时域中以串行方式或者以并行方式（例如，不同TXRU的不同模拟波束赋形向量）交替地执行。在不同的UE偏好不同的模拟波束赋形矢量的情况下，PMI的测量和计算只能以TDM的方式进行。对于基于CRI的机制，考虑到天线端口和TXRU之间的灵活映射，一个天线端口对应的不同数量的TXRU可以产生不同波束宽度和波束赋形增益的波束，特别是对于非全连接TXRU虚拟化，如图2所示，遍历模拟和数字波束赋形矢量肯定会消耗大量的CSI过程。相应的信令开销也将增加。总之，现有的CSIT捕获方法对混合波束形成的效率不高。CSIT采集应考虑必要的增强或新方法。

从频谱效率的角度来看，MIMO传输应尽可能优先考虑和利用，特别是对于具有理想信道链路的MU-MIMO。考虑到下行信道的广播特性，多用户干扰必须控制在允许的范围内。然而，在混合波束赋形中，多个UE可以在两种可能的情况下被共同调度用于MU-MIMO传输：

1）共同调度的UE偏好相同的模拟波束赋形向量；

2）成对UE偏爱不同的模拟波束赋形矢量，其可以辐射空间上良好分离的模拟波束，即当数字波束赋形矢量变化时形成的波束的包络。

比较这两种情况，第一种情况可以提供更大的波束赋形增益，应优先考虑。由于模拟波束赋形矢量的限制，在一定程度上降低了多用户分集增益。因此，可以考虑对MU-MIMO的必要增强。