5G NR MIMO波束赋形架构

对于大约30/70 GHz，最多可以有256个Tx和Rx天线单元，在70GHz扩展支持1024Tx。对于6GHz以下的通信，通过增加天线单元的数量来获得更多的波束赋形和复用增益也是一种趋势。对于大约4GHz，假设最多256个Tx和Rx天线单元，对于700MHz，最多64个Tx和Rx天线单元。在天线规模较大的情况下，由于硬件成本、功耗和标准化复杂度等方面的问题，利用基带纯数字波束赋形技术来充分发挥MIMO的潜在增益是不现实的。

TXRU虚拟化

典型的MIMO系统如图1所示。信号由具有FBB的基带预编码模块和具有FRF的射频预编码模块处理并通过信道发送。接收端采用加权矩阵WRF射频模块和加权矩阵WBB基带模块对接收信号进行处理。

不同的TXRU虚拟化假设将影响图1中的基带部分和射频部分，例如矩阵FBB、FRF、WRF、WBB的尺寸以及相应数学表达式的特征。不同的TXRU虚拟化假设也会导致基带预编码和射频预编码的灵活性和实现复杂度不同，因此在不同场景下的性能不同。对于射频预编码矩阵FRF和接收权重WRF，主要备选方案如下：

方案1:

方案1基于全连接结构，其中每个TXRU映射到所有面板。这种结构可以产生MTXRU窄波束，基带预编码的作用是对射频窄波束进行权值选择和施加。方案1的以下缺点在天线数量较大时可能会加重：

1） 方案1中的每个TXRU都用大量的移相器、解复用器和多路复用器来实现，这意味着更高的成本，这些都成为许多非理想因素的来源。

2） 如果面板不在同一位置，为波束选择权值可能会很困难。

3） 数字基带预编码的灵活性没有得到充分利用。

方案2:

当一个TXRU中的天线单元数较少时，RF波束赋形通常产生宽波束，并且通常假设所有TXRU具有相同的WRF。在这种情况下，RF预编码仅利用粗略的方向信息，并且宽的RF波束可以覆盖主射线。数字预编码的目的是细化射频波束以形成更窄的波束，并区分用于波束赋形和复用的多个多径分量。

如果一个TXRU中的天线单元数目较大，TXRU可以调整虚拟化权重WRF以形成不同方向的窄波束。可能的应用包括：

（a） 如果不能假定不同的面板位于同一位置，则波束的方向通常不同，但可以通过调整WRF来对齐。这种不在同一地点的情况在高频中很常见。例如，笔记本电脑或电视屏幕角落上的天线面板可能不被认为位于同一位置。

（b） 利用不同的窄射频波束赋形具有不同收发对的多个射频链路来传输相同的数据流，可以提高可靠性和鲁棒性。窄波束可以区分更多的多径分量，利用具有不同收发对的多个RF链路来传输不同的数据流可以提高空间复用的程度。

在方案2中，射频窄波束已经可以分辨出多种射线。基带预编码的目的是通过执行射线的选择或加权组合来利用与射线方向相对应的RF窄波束，或者支持更高秩的传输。

方案2可以适应各种情况。使用不同的WRF设计（每个TXRU相同/部分相同/不同），方案2可应用于高频、低频、不同数量的TXRU/元件、共位和非共位面板。方案2所需的移相器、解复用器和复用器的数量最少，因而成本较低。方案2还可以充分利用射频和基带波束赋形的优点，基站具有足够的灵活性来形成所需的最终波束。

方案3:

方案3是全连接和子阵列结构的组合，如图3所示。在方案3中，一个天线组对应于K 个TXRU，总共有MTXRU/K个天线组。每个TXRU映射到K*Ntotal/MTXRU天线组，每个天线单元映射到K个TXRU。

对于方案3，在Ntotal和MTXRU相同的情况下，每个NTXRU中的天线单元数是方案2的K倍。因此，射频波束赋形可以产生更多的窄波束，其主要优点是对射频上的多径分量具有更高的分辨率。在方案3中，基带预编码的设计也比较简单，但是在Ntotal很大并且TXRU的数量有限的情况下，是否需要更窄的RF波束仍然不清楚。需要使用特定的天线设置和场景进行评估以验证。与方案2相比，方案3在成本上没有优势，而且方案3中的分组较多，可能导致更多的非理想因素。

MIMO波束赋形

MIMO的预编码主要有三种：基带数字预编码、射频模拟预编码和基带射频混合预编码。

基带数字预编码

对于纯基带预编码，射频发射权重WRF和接收权重FRF是固定的。因此，基带预编码的性能主要取决于WBB和FBB。WBB的选择非常灵活，如果参考信号和数据采用相同的预编码权值，则不需要显式指示FBB。在FDD隐式反馈中，UE测量CSI-RS资源上的WRFHFRF，并在SU-MIMO传输的假设下，从预定义的码本中选择最大容量的预编码器。在TDD中，发射机可以利用信道互易性获得WRFHFRF，灵活选择FBB。数字基带预编码的特点概括如下：

高实施成本:数字基带预编码需要大量射频链来利用大型销售天线阵列的增益，导致高成本和功耗。

复杂的MIMO设计:在FDD中很难获得FBB的准确估计，为其设计的大量CSI-RS资源和高维高分辨率CSI反馈需要巨大的标准化工作。对于TDD，为FBB发送大量SRS将导致高RS开销。

高预编码性能:这一优势对于散射丰富的信道最为显著，主要场景是低频段。这是因为数字基带预编码可以非常灵活地调整预编码权值，并且没有常数模等约束。另外，频域粒度的预编码可以更好地适应频率选择性信道。但是，只有在准确的信道信息下才能获得增益，而FDD通常需要高分辨率的反馈。

射频模拟波束赋形

射频模拟波束赋形主要应用于WBB和FBB的尺寸非常低时，例如矢量。成形性能主要由WRF和FRF决定。射频模拟波束赋形的标准化主要集中在如何通过波束选择获得精确的WRF和FRF。波束选择可以分为下行发射波束选择、下行接收波束选择、上行发射波束选择和上行接收波束选择等阶段。在初始波束选择周期之后，还可以在数据传输阶段进行波束细化。射频模拟波束形成需要固定WRF，以进行波束训练和信号接收，因此与基带预编码相比，它的灵活性较低。最优FRF的选择高度依赖于FRF，并在预定义的WRF集内进行。通常需要多次试验来寻找最佳的WRF，这意味着WRF的选择不如WBB那样快速、准确。射频模拟波束形成的特点主要包括：

低成本：只需要少量射频链，且组件成本低。

减少标准化工作：天线阵列的规模影响有限，小、大阵列设计可以统一，这使得考虑兼容性很容易向前考虑。

低开销：波束方向反馈通常是三维矢量，而基于频带预编码的反馈通常具有Nt尺寸，这意味着反馈和测量的开销要高得多。

应用有限：射频模拟波束赋形只能利用主路径，这更适合散射较差的信道。

WRF与FRF之间存在着很强的联系，这给设计和标准化带来了一定的挑战。

混合波束赋形

对于实际的大型系统，需要在成本和性能之间保持平衡。因此，混合波束赋形将是未来高低频大规模天线阵的一种典型方法。对于高频，当天线的数目远远大于信道的多径分量的数目时，利用比射线数目多得多的TXRU是一种浪费。混合波束赋形的特点包括：

灵活性高：预编码相关参数包括WRF、WBB、FRF、FBB均可根据信道条件动态调整。

平衡成本、性能和开销：成本、性能和反馈开销介于射频波束赋形和基带波束赋形之间，由TXRU的数量决定。

设计和标准化需要定义如何获取WRF、FRF、FBB。这三个参数之间的联系将带来新的挑战。

可以控制FBB的尺寸，以避免高反馈开销和分辨率。此外，还可以通过控制FRF、WRF形成合理宽度的波束，使系统具有较强的抗移动性。

数字、模拟和混合波束的灵活性如下表所示：

NR系统是为各种场景和应用而设计的。所讨论的三种MIMO预编码方案各有其适用的应用场景和独特的优点。

标准化影响

对于低频，目前LTE等系统主要采用基带预编码。另一方面，目前流行的高频标准主要考虑射频预编码。对于NR，可以考虑一个统一的框架来支持高频和低频MIMO。该框架应与现有的基带预编码、射频预编码以及混合预编码兼容。

在这里，我们考虑标准化的影响主要是由于模拟波束赋形的限制。在同一TXRU上的模拟波束赋形不能是频率选择性的。因此，我们有一个约束条件，即同一TXRU上的所有信号需要在同一时间符号中具有相同的模拟波束。在传输端，这意味着具有不同模拟波束的CSI-RS端口只能在不同的符号中复用。

考虑到模拟接收波束赋形，这意味着具有相同发射波束的参考信号的多个shot应以不同的符号发射，以便UE执行接收波束扫描。

基带预编码是非常灵活的。在每个RXU上接收的数字数据样本可以被存储，并且可以在DMRS上进行精确的信道估计。因此，接收机可以综合考虑被测噪声、干扰和信道，选择接收矩阵WBB。在射频波束赋形中，最佳的WRF取决于FRF的选择，但是对于基带接收，WRF需要固定。虽然反馈可以在一组预定义的（WRF，FRF）对中进行选择，但是RF波束赋形对波束选择和调整的灵活性有限。由于（WRF，FRF，FBB）是相关的，因此调整其中的一个会影响其他的，并且需要额外的信令来指示调整，所以这个问题在混合波束形成中更为重要。

为了使预编码在一定程度上对接收机透明，提出了图4中的DMRS结构，这种多拍DMRS结构使得接收端能够尝试多个接收矩阵，并且这些矩阵可以从预定义的集合中选择并根据一定的规则进行调整。这样，发送侧具有在不明确通知接收侧的情况下调整预编码矩阵的灵活性，并且可调整的预编码矩阵的数目由RS符号的数目确定。

目前LTE支持基带多波束，支持多个CSI-RS资源和天线端口。随着天线数量的增加和射频波束的大量引入，可以在时域内以不同的符号发射不同的射频波束。如图5所示，反馈方案可以是LTE Class B的扩展，例如，可以引入基于端口的RF波束选择。