5G sub-6GHz的MIMO层数选取原则

在LTE支持的许多功能中，MIMO对于满足系统吞吐量要求是必不可少的。在经历了Rel.8的多个增强阶段之后，可以说LTE Rel.14将支持具有竞争力的MIMO系统，这有助于各种用例和权衡级别。

对于sub-6GHz的频率，上下行 MIMO的拟议设计原则是根据预期的Rel.14 LTE（Rel.14 eFD MIMO和Rel.10 UL MIO）中可用的功能构建。这涉及两项工作：

1.简化Rel-14 上下行 MIMO：从R14中给出的框架开始，可以进行以下简化：

a、 移除与LTE向后兼容性相关的设计约束（可能还有功能）：对于DL MIMO，这包括在每个子帧中存在Rel.8 CRS，并为PDCCH传输保留每个子帧的前3个OFDM符号。它还包括LTE子帧结构，其可以不用于新的无线电接口（例如LTE TDD特殊子帧）。

b、 删除冗余功能，尤其是那些导致不必要的规范复杂性的功能：对于DL MIMO，这包括Rel.13/14 LTE中的大量CSI报告模式，这些模式在功能上不必要地重叠，而在性能和反馈开销之间没有任何明显的差异。

2.介绍NR的新功能：例如：

a、 设计与新的子帧结构兼容，例如独立子帧以及可变TTI长度。

b、 与“灵活的TDD”兼容的设计：在某种程度上，Rel.13 LAA和eIMTA施加了此类约束。然而，当前LTE MIMO的设计可能没有考虑到这些约束。

c、 在eNB处实现高分辨率DL和UL CSI测量：对于DL MIMO，这包括背离LTE CSI报告范式（称为隐式反馈）并采用更适合MU-MIMO传输的另一范式。

表1总结了一些基本设计要求。

Sub-6GHz NR MIMO的目标是在争取单一框架的同时，在广泛的使用情况下促进分集和复用增益之间的灵活权衡。例如，所选择的MIMO传输方案可以被配置为适应低到高速UE。

遵循LTE的设计原则，在设计MIMO组件（如CSI报告和码本）时，假设使用双极化天线阵列。

对于DL NR MIMO，假设采用OFDMA（或基于OFDMA的方案）。对于UL NR MIMO，OFDMA和SC-FDMA都使用单个框架，同时对OFDMA进行优先级排序。注意，具有非相邻PRB分配（在LTE中支持）的DFT预编码OFDMA与OFDMA共享许多共性。

DL和UL NR MIMO的最大层数保持与LTE相同。没有增加每个UE的最大空间复用增益的强烈动机，因为不太可能从高阶SU-MIMO传输中增加频谱效率。

为了促进各种使用情况，例如更快的UE速度，提出了类似于Rel.14 eFD MIMO中支持的潜在方案的基于两层波束赋形的框架。如图1所示，支持两种便于动态和半动态波束赋形的传输方案。对于FDD，动态波束赋形类似于LTE闭环MIMO，而半动态波束赋形则类似于Rel.14 eFD MIMO中评估的半闭环MIMO。

当eNB处可获得准确的CSI时（例如，低UE速度和良好的小区隔离或小区间干扰协调），动态波束赋形尤其适用。在这种情况下，由于CSI报告中提供了准确的方向信息，因此eNB可以通过窄方向波束发送数据。该方向信息可以通过PMI或包括长期和短期预编码信息的其他预编码相关反馈来报告。与LTE类似，短期预编码信息可以作为宽带或子带CSI参数报告。这有助于频率选择性预编码/波束赋形。

由于在eNB处可获得准确的CSI，因此可以支持最大DL层数（每个UE）为8（参见表1）。

当eNB处的CSI质量受损时（例如，高UE速度和差的小区隔离导致称为闪光灯效应的突发小区间干扰），半动态波束赋形尤其适用。在这种情况下，eNB通过一组定向波束发送数据更为有利，因为UE只能指示近似（或范围）的方向信息。为此，可以采用在频域中的一组波束内循环的预编码器（波束）。该近似方向信息可以经由PMI或仅包括长期预编码信息的其他预编码相关反馈来报告。这种长期预编码信息不需要子带PMI（或与预编码相关的）报告。

如果在eNB处没有准确的CSI，则可以支持DL层的最大数量（每个UE）为2，因为在感兴趣的用例中不期望高峰值数据速率。

对于TDD场景，如果可以通过利用UL-DL短期互易性来估计DL CSI，则可以支持动态和半动态波束赋形，而无需预编码相关反馈。此外，这两种传输方案都应促进SU-MIMO和MU-MIMO之间的动态切换。

上述波束赋形框架可以应用于不同的服务。例如：

• 动态和半动态波束赋形以及动态秩自适应和MU调度都适用于eMBB。根据UE和eNB之间的链路，UE可以配置为动态或半动态波束赋形。
• 低秩动态和半动态波束赋形都特别适用于URLLC（包括具有挑战性的应用，如V2V/V2X）。对于低秩传输（例如Rank-1），波束赋形增益最大化。对于高移动性UE（例如，对于V2I/N场景），半动态波束赋形中的长期波束赋形和波束循环的组合为基于组的多播提供了一种高效的基于分集的方案。对于低移动性UE，低秩动态波束形成提供最佳性能。
• Rank-1“动态”波束赋形特别适用于mMTC。由于预期mMTC UE具有低移动性（其中许多是静态的），因此具有非常低CSI更新速率的动态波束赋形最大化了波束赋形增益。
• 对于eMBMS，当需要基于组的多播时，半动态波束赋形似乎是一个很好的方案。对于此类应用，根据eMBMS的配置，在一个波束组（由长期PMI表示）内配置波束数量的能力非常重要。

表2总结了这两种传输方案的比较。

为了支持DL MIMO部署，需要类似于LTE的两种类型的RS：CSI-RS和DMRS。

根据使用情况，UE可被配置为测量与更宽（未压缩）或更窄（压缩）传播信道相关联的CSI。在第二种情况下，UE“放大”到信道的较小部分。因此，eNB可以通过在具有大量端口的CSI-RS上应用预编码/波束赋形来增加CSI-RS渗透，以生成具有更少数量端口的CSI-RS。当以UE特定的方式应用CSI-RS波束赋形时，这样的波束赋形增益最大化。为了便于这种权衡，可以使用几种类型的CSI-RS。

在Rel.13 LTE中，Class A和Class B eMIMO类型被定义为允许上述eNB实现。Class A与所谓的非预编码（NP：non-precoded）CSI-RS相关联，而Class B与波束成形（BF：beamforming）CSI-RS相关联。对于Class B，当UE配置有K>1个CSI-RS资源时，启用虚拟扇区化，其中每个CSI-RS源表示静态的宏波束。UE报告CRI（CSI-RS资源索引）以及所选宏波束的CSI报告。此操作也称为小区特定BF CSI-RS。Class B还用于UE特定的BF CSI-RS，其中UE被配置有m个端口的1个CSI-RS资源。在这种情况下，UE测量每个偏振组m/2个微束。反过来，UE报告与码本相关联的PMI。

对于NR MIMO，可以进一步简化CSI-RS的框架。仔细观察，NP CSI-RS和小区特定的BF CSI-R（均由一个或多个静态宏波束组成）可以组合为一种类型，称为覆盖CSI-RS，由K 1 CSI-RS资源。由K个CSI-RS资源中的每个资源表示的K个静态宏波束中的每个被称为“覆盖波束”。显然，覆盖CSI-RS的用例是Rel.13 NP CSI-RS和小区特定BF CSI-R用例的组合。当用于虚拟扇区化时，UE可以配置CRI反馈。此外，部分端口CSI-RS（端口域中的CSI-RS子采样）可以通过将UE配置为测量K>1个CSI-RS资源来实现，每个资源代表较大端口阵列的一部分。第二类CSI-RS类似于Rel.13 UE特定BF CSI-RS，称为UE特定CSI-RS。UE特定CSI-RS具有相同的特性，可以动态波束赋形并由动态微波束组成。表3总结了这两种CSI-RS类型之间的比较。

图2描述了上述两级CSI-RS设计。eNB在两个覆盖波束上向两个UE发送两个覆盖CSI-RS。这两个覆盖beam 0和1（因此两个覆盖CSI-RS）可以在时间或频率上同时发送或复用。eNB发送两个UE专用CSI RS 0.0和0.1。用于发送两个特定于UE的CSI RS的两个特定UE波束是相对于第一覆盖波束导出的，因此对应于覆盖波束的子空间。由于这两个特定于UE的波束沿较小的方向范围传输，因此由于额外的波束赋形增益，它们具有较高的穿透率。第二UE测量UE特定CSI-RS并沿数据波束0.1.0从eNB接收数据传输。数据波束的波束赋形向量可以由从UE特定的CSI-RS（与FDD更相关）导出的CSI报告或测量UL SRS（与TDD更相关的）赋形。

CSI-RS资源分配可以从类似于Rel.13 LTE原理的公共CSI-RS源池中提取。可以支持根据UE测量和资源定义定义的两种类型的资源分配：周期性和非周期性。

为了支持每个UE最多8层，每个UE可以分配最多8个DMRS端口。继续Rel.13的思路，DMRS的设计应便于有效的MU-MIMO复用。因此，将正交DMRS端口的数量增加到Rel.13 FD-MIMO之外是合理的。例如，DL NR MIMO中至少支持8个正交DMRS端口。

为了简化CSI报告部署，需要减少CSI报告模式之间的功能重叠量。为此，有两个功能类别：1）CSI内容，2）CSI报告程序。

就CSI内容而言，对于sub-6GHz的FDD场景，以下两种备选方案是可能的：

• 传统CSI：继承自Rel.13 FD-MIMO，包括CQI以及PMI、RI和/或CRI。假设单用户传输假设来计算这些CSI参数。因此，需要基于码本的反馈，这种反馈往往在设计时考虑到特定的阵列几何形状和配置。这也称为隐性反馈。
• 高级CSI：这包括额外的CSI反馈，更好地促进MU-MIMO复用，并避免隐式反馈范式中固有的SU-MU失配。高级CSI的一些示例是直接（量化）信道反馈、协方差矩阵反馈或通过UL控制信道的特征向量反馈。这种类型的CSI也可以设计成较少依赖于阵列几何形状和配置。这也称为显式反馈（在版本10 SI期间）。

就CSI报告程序而言，类似于Rel.13/14 LTE的两种机制是可能的：

• 周期CSI（P-CSI）报告
• 非周期CSI（A-CSI）报告

为了简化CSI报告程序并提高测量和报告效率，建议对Rel.13 LTE进行以下更改：

• A-CSI报告仅与非周期（NZP和ZP）CSI-RS和P-CSI与周期（NZ和Z P）CSI-RS相关联。这是为了避免不必要的重叠，这增加了冗余特征和额外DL信令的数量。
• A-CSI（结合非周期CSI-RS）是默认操作模式。因此，CSI-RS传输仅在需要时执行，这减少了DL开销（因此增加了小区吞吐量）和潜在的小区间干扰。此外，CSI报告仅在需要时执行，这减少了UL控制资源利用率和UL干扰。

·P-CSI的目标是链路维护，而不是提供更高分辨率的CSI。因此，子带P-CSI是不必要的。

为了与灵活的TDD实现更好的协同作用，应不惜一切代价避免R13 LTE特有的P-CSI报告中的过度子帧间依赖（理想情况下，一个子帧内应包含一个完整的P-CSE报告）。该设计目标与避免P-CSI的子带报告一致。

假设NR gNodeB可以在一个CSI过程中联合利用P-CSI和A-CSI报告。

基于以上几点，表4给出了CSI内容与报告程序之间的可能相关性。

利用上述特征的示例性操作如图3所示。假设为简单的LTE子帧结构。在一个CSI过程中，UE配置有链接到UE特定CSI-RS的P-CSI和链接到2个资源覆盖CSI-RS（两个16端口CSI-RS资源，形成32端口部分端口CSI-R）的A-CSI。在接收到与覆盖CSI-RS相关联的两个资源中的一个资源一起的UL许可时，UE报告包含显式信道反馈的A-CSI。与隐式反馈不同，eNB可以在没有任何重构问题的情况下组装这两个A-CSI报告。组装这两个报告仅仅相当于将两组不相交的16端口量化信道连接成32端口量化信道。使用32端口DL信道估计，eNB在CSI-RS上执行UE特定波束赋形。配置有4端口UE特定CSI-RS，UE报告P-CSI（包括宽带CQI、PMI和RI）以维持链路。由于端口的数量很小，所以使用宽带PMI可以很好地维护链路。

出于与DL NR MIMO相似的原因，UL NR MIMO将从动态和半动态波束赋形中受益。然而，与DL不同，UL MIMO可能需要根据双工方案以不同方式实现。

来自Rel.10 LTE的UL SU-MIMO可以支持动态波束赋形。也就是说，当UL授权（包含DCIformat 4）包括单个PMI字段（连同RI）时，支持基于码本的MIMO传输。该PMI指示UE用于调度的UL传输的单个预编码矩阵。因此，应用了宽带UL预编码。该特征可容易地用于UL NR MIMO。

可以支持类似于上述DL NR MIMO的半动态波束赋形（具有频域中的波束/预编码器循环），并且适合于UL OFDMA。在这种情况下，可以指定预定循环模式（或一组循环模式），并通过UL授权向UE发送信号。用于动态波束赋形的PMI字段可以被扩展以支持预编码器循环。

与Rel.10 LTE类似，SRS和UL DMRS有助于上行链路信道测量和解调。在功能方面，除了以下附加功能外，它们将共享LTE提供的框架。

为了便于eNB进行TDD的DL CSI测量（除了UL信道测量之外），SRS应设计为最多提供8个端口。这允许eNB在假设8个RX天线的情况下测量DL CSI。因此，预计SRS容量较高。

此外，虽然可以支持周期性和非周期性SRS，但建议将非周期性的SRS作为默认的SRS操作，特别是对于高空间分辨率UL信道测量——类似于先前提出的将非周期CSI-RS与A-CSI结合作为DL的默认部署。类似的推理适用于：SRS资源利用的效率和减少不必要的干扰。定期SRS主要用于维护链路。

为了便于UL解调，UL DMRS设计为每个UE最多4个端口。不用说，UL DMRS的设计也应考虑到UL MU-MIMO。