5G 大規模天線增強技術

5G大規模天線增強技術以5G Rel-16協議為基礎，對多天線技術的發展歷程進行了回顧，詳細地介紹了大規模多天線增強技術在5G Rel-16中的標準化方案，重點包括碼本增強技術、波束管理增強技術、多TRP傳輸增強技術等，細致地分析了各個方案的提出背景、設計思路、模擬結果及標準制定過程背後的技術博弈，並對多天線技術的未來發展趨勢進行了預測。

本書適合從事無線通信工作的科技人員、工科大學教師和研究生閱讀、學習，也適合作為工程技術及科研教學人員的參考書。

鲁照华

天津大学博士，教授级高 级工程师。2004年开始在中兴通讯股份有限公司从事3G、4G、5G移动通信系统关键技术研究工作，移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室成员。在国际学术期刊和会议上发表论文二十余篇，已授权发明专利五百余项。曾获深圳市科技进步奖一等奖、深圳市技术发明奖一等奖、广东省科技进步奖一等奖、广东杰出发明人奖等荣誉。

 

袁弋非

国家海外高层次引进人才，清华大学本科和硕士毕业，美国卡内基-梅隆大学博士毕业。2000—2008年在朗讯贝尔实验室从事3G和4G移动通信关键技术研究；2008—2020年在中兴通讯股份有限公司担任无线标准技术总监，负责4G和5G关键技术研究和标准推进工作；2020年调中国移动研究院，担任首 席专 家，负责5G和6G前沿技术研究及标准化工作。在国际学术期刊和会议上发表论文五十余篇，出版4G和5G中/英文专著8部，已授权美国专利四十余项。担任汉斯《无线通信》期刊主编，IEEE Communications Letters和China Communications编委，获IEEE ComSoc亚太杰出论文奖。

 

吴昊

东南大学博士，2011—2012年在美国哥伦比亚大学电子工程系作为联合培养博士从事科研工作。2015年开始在中兴通讯股份有限公司从事无线通信技术研究与标准化工作，担任技术研究专 家、标准项目经理，其间代表中兴通讯股份有限公司参加3GPP RAN和RAN1会议，在MIMO、AI、定位、终端节能等多个4G、5G技术方向上提交二百余份提案。已在IEEE Trans等国际期刊或会议上发表论文十余篇，拥有专利七十余项。

 

高波

清华大学博士，2015年开始任职于中兴通讯股份有限公司，技术预研专 家，负责5G Massive MIMO前沿技术研究及标准化工作。已在国际学术期刊和会议上发表论文二十余篇，拥有5G专利十余项。

 

蒋创新

西安科技大学硕士，从事4G、5G 物理层标准化工作十余年，精通3GPP标准，曾在NEC从事LTE MIMO、信道建模及系统级仿真等标准化研究工作。2016年加入中兴通讯股份有限公司，从事无线通信技术研究与标准化工作，担任技术研究专 家、标准项目经理，曾代表中兴通讯股份有限公司参加3GPP RAN1和RAN会议，在MIMO、定位等多个4G、5G技术方向上提交二百余份提案，拥有59项授权专利。

第 1章　大規模天線技術發展概述　1

1.1　無線通信系統和天線　2

1.2　多天線在移動通信的應用　4

1.2.1　波束賦形　5

1.2.2　空間分集　5

1.2.3　空間復用　5

1.2.4　乾擾管理　6

1.3　大規模天線技術理論及發展歷程　6

1.3.1　數學基礎　6

1.3.2　通道相關系數特徵分析　9

1.3.3　發展歷程　11

1.4　大規模天線增強技術的主要方向　13

1.4.1　參考信號　14

1.4.2　CSI反饋　14

1.4.3　協作多點傳輸（Multi TRP）　15

1.4.4　波束管理　16

1.4.5　上行傳輸　16

1.5　小結　17

第 2章　大規模天線無線通道模型　19

2.1　無線通道概述　20

2.1.1　路徑損耗　21

2.1.2　陰影衰落　21

2.1.3　小尺度衰落　22

2.2　無線通道理論　23

2.2.1　通道的表達式　23

2.2.2　瑞利衰落　25

2.2.3　萊斯衰落　27

2.2.4　多普勒頻譜　28

2.3　通道模型　29

2.3.1　通道建模方法　29

2.3.2　通道模型介紹　31

2.4　通道建模流程　36

2.4.1　場景設置　37

2.4.2　天線設置　40

2.4.3　LOS概率計算　46

2.4.4　路徑損耗計算　48

2.4.5　穿透損耗計算　52

2.4.6　大尺度參數計算　53

2.4.7　小尺度參數計算　56

2.4.8　小尺度計算增強　62

2.4.9　基於地圖的混合通道模型　82

2.5　小結　99

第3章　大規模天線系統參考信號設計　101

3.1　CSI-RS　104

3.1.1　CSI-RS圖樣　105

3.1.2　CSI-RS序列　108

3.1.3　CSI-RS的周期與偏置設計　110

3.1.4　CSI-RS資源配置　110

3.1.5　CSI-RS與其他信號碰撞解決機制設計　111

3.1.6　CSI-RS的速率匹配　112

3.1.7　用於CSI的CSI-RS　112

3.1.8　用於跟蹤的CSI-RS　112

3.1.9　用於波束管理的CSI-RS　116

3.1.10　用於移動管理的CSI-RS　116

3.2　DM-RS　117

3.2.1　DM-RS基本設計　117

3.2.2　Rel-16低PAPR DM-RS　135

3.3　SRS　140

3.3.1　LTE中的SRS容量增強技術　141

3.3.2　SRS類型　146

3.3.3　SRS時頻碼域資源　148

3.3.4　SRS序列　151

3.3.5　SRS信令配置　154

3.3.6　SRS與其他資源的優先級處理　155

3.3.7　SRS天線切換　156

3.3.8　SRS在分量載波之間的切換　158

3.4　PT-RS　161

3.4.1　基於OFDM波形的PT-RS的設計　162

3.4.2　基於DFT-S-OFDM波形的PT-RS的設計　178

3.5　QCL關系　183

3.5.1　參考信號間的QCL關系　186

3.5.2　Rel-15 QCL的信令配置　189

3.6　小結　193

第4章　CSI反饋增強關鍵技術　195

4.1　5G中CSI測量、反饋的基本原理和關鍵技術　196

4.1.1　獲取CSI的基本方法　196

4.1.2　用於獲取CSI的參考信號　198

4.1.3　CSI報告的組成和屬性　200

4.1.4　終端處理CSI的要求和能力　204

4.2　Rel-15 Type I碼本設計方案　208

4.3　Rel-15 Type II碼本設計方案　213

4.4　Rel-16 eType II碼本設計方案　218

4.5　性能分析　226

4.6　CSI反饋的未來發展方向　229

4.7　小結　233

第5章　Multi-TRP方案　235

5.1　場景分析　236

5.2　基於單DCI的M-TRP　237

5.2.1　SDM方式　238

5.2.2　FDM-A方式　240

5.2.3　FDM-B方式　243

5.2.4　TDM-A方式　246

5.2.5　TDM-B方式　247

5.2.6　各種方式的對比與切換　250

5.2.7　DM-RS埠指示　251

5.2.8　波束指示與默認波束　252

5.3　基於多DCI的M-TRP　255

5.3.1　PDCCH　255

5.3.2　PDSCH　260

5.3.3　HARQ-ACK　261

5.3.4　亂序（Out-of-order）　270

5.3.5　速率匹配　272

5.4　M-TRP技術演進　274

第6章　波束管理增強方案　279

6.1　高頻通道特徵、系統結構及部署場景　280

6.1.1　高頻通道特性　281

6.1.2　高頻段通信系統架構　283

6.1.3　高頻部署場景　286

6.1.4　高頻組網　289

6.2　波束管理技術　292

6.2.1　波束掃描與測量　294

6.2.2　波束報告　296

6.2.3　波束指示　299

6.2.4　波束維護　302

6.2.5　波束恢復　303

6.3　波束管理後續演進　305

6.3.1　上行默認波束和默認路損確定　305

6.3.2　上下行多面板同時傳輸　307

6.3.3　MU-MIMO下的感知乾擾的波束管理　312

6.3.4　基於人工智能（AI）的波束管理增強　316

6.4　小結　318

第7章　上行傳輸增強　319

7.1　PUSCH傳輸　320

7.1.1　基於碼本的PUSCH傳輸　322

7.1.2　非碼本的PUSCH傳輸　326

7.2　上行功率控制　328

7.2.1　波束相關的功率控制　329

7.2.2　CA、DC的功率共享　345

7.2.3　PHR　348

7.3　上行滿功率傳輸增強　351

7.3.1　上行滿功率傳輸增強的約束因素　352

7.3.2　上行滿功率傳輸模式1　354

7.3.3　上行滿功率傳輸模式2　358

7.4　小結　363

第8章　大規模天線的IMT-2020性能評估　365

8.1　IMT-2020的關鍵性能指標　366

8.2　IMT-2020 eMBB系統頻譜效率的評估　369

8.2.1　室內熱點場景　370

8.2.2　密集城區場景　371

8.2.3　鄉村場景　371

8.3　小結　372

第9章　未來技術演進　373

9.1　非理想互易性CSI獲取　374

9.2　基於OAM的復用及渦旋波傳輸　379

9.2.1　OAM模態與渦旋電磁波　379

9.2.2　OAM模態正交性　381

9.2.3　OAM無線通信發展　383

9.2.4　OAM與MIMO的關系　384

9.2.5　OAM的產生與接收　386

9.2.6　未來OAM的研究方向　387

9.3　智能電磁錶面　389

9.3.1　可控無線環境　389

9.3.2　智能錶面的理論與設計　392

9.3.3　面臨的挑戰性問題　395

9.3.4　未來研究方向　396

9.4　無蜂窩大規模MIMO　398

9.4.1　Cell-Free Massive MIMO的原理　399

9.4.2　Cell Free M-MIMO的實現　402

9.4.3　Cell-Free M-MIMO網絡的特徵　404

9.4.4　Cell-Free M-MIMO的優勢　405

9.5　太赫茲極窄波束通信　407

9.5.1　太赫茲通信介紹　407

9.5.2　太赫茲通信中的波束賦形　410

9.5.3　太赫茲通信的窄波束賦形應用前景與展望　412

9.6　小結　415

附錄　417

縮略語　427

參考文獻　435