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面向6G的无蜂窝大规模MIMO无线传输技术

发布时间:2021-12-28作者来源:金航标浏览:629

01      
6G专题(2021-第4期)    

面向6G的无蜂窝大规模MIMO无线传输技术*

王东明1,2

(1.东南大学移动通信国家重点实验室,江苏 南京 210096;

2.网络通信与安全紫金山实验室,江苏 南京 211111)


*基金项目:国家科技重点研发计划(2020YFB1807200)


【摘  要】无蜂窝是一种新型的组网方式,对6G超高峰值速率、超高频谱效率、海量连接以及超低时延和超高可靠传输均有重要的支撑作用。介绍了面向6G的无蜂窝大规模MIMO系统中的无线传输技术,包括高频段和低频段的无蜂窝大规模MIMO以及网络辅助全双工等关键技术,分析了无蜂窝系统面临的瓶颈问题,包括信道信息获取、分布式收发机设计、交叉链路干扰等,并提出了一些解决思路和新的研究方向。

【关键词】6G无线传输技术;MIMO;无蜂窝大规模MIMO


doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.002        

中图分类号:TN929.5        文献标志码:A        

文章编号:1006-1010(2021)04-0010-06

引用格式:王东明. 面向6G的无蜂窝大规模MIMO无线传输技术[J]. 移动通信, 2021,45(4): 10-15.


 

 

 

 


 引言


5G移动通信系统已商用化部署,其持续演进将与实体经济深度融合,形成良好的5G产业生态。在此背景下,国际组织及各国政府均已计划开展6G移动通信系统的研究。目前,虽然6G还未有统一的定义,但应用场景、技术趋势及关键指标方面已有一些初步的共识[1]。2021年6月6日,我国工信部IMT-2030(6G)推进组正式发布了《6G总体愿景与潜在关键技术》白皮书[2],梳理出6G的总体愿景和八大业务应用场景及相应的指标需求,提出了6G的一些关键技术指标,包括:系统峰值传输速率将达到Tbit/s量级、用户体验速率达到10 Gbit/s、时延低至百μs量级同时可靠度达到99.999 99%等,并提出了十大关键技术,指出6G将在5G的基础上,继续深度挖掘低频段的潜力,提高系统的频谱效率;深耕毫米波频段提高传输速率及系统的鲁棒性,并向太赫兹直至光频段,拓展无线通信的频谱资源,提供超高容量、超大规模移动通信服务。


空口无线传输技术一直是历代移动通信系统的核心能力的体现,也是实现6G关键指标的主要技术途径。在现有5G使用的频谱中(包括毫米波和sub-6 GHz频段),频谱资源的紧缺问题仍然非常突出,频谱效率亟需进一步提升。


多天线技术及密集组网作为提高频谱效率的主要方法在3G~5G中得到广泛应用,基站的发送天线数从3G应用的2根增加到5G应用的64甚至128根,小区分裂也从宏蜂窝、微蜂窝到微微蜂窝。然而,集中式系统中增大天线规模遇到的物理实现问题和小区分裂遇到的干扰问题,使得5G系统的频谱效率并不能持续性提升。因此,需要打破传统蜂窝架构以及小区分裂的思维方式,采用新型的无蜂窝组网及相应的大规模协作MIMO传输技术[3]


由于低频段频谱资源几近枯竭,拓展频谱资源是提高峰值速率最直接的方法,因而从5G的毫米波到更高频段的太赫兹成为满足6G峰值速率的主要解决手段。然而,高频段的大带宽、近光学和易被遮挡等特点,使其在移动通信应用中面临众多技术挑战。在无蜂窝架构下,通过协作传输,可以有效解决高频段易被遮挡的问题,提高链路的鲁棒性。


本文首先介绍了无蜂窝大规模MIMO与技术的关系,然后分别针对低频段和高频段介绍了无蜂窝大规模无线传输的关键技术,并对无蜂窝大规模MIMO的未来的研究方向进行了探讨。


1   多天线技术的演进及无蜂窝系统的技术原理


1.1  多天线技术的演进

多天线技术是提高无线通信系统频谱效率的有效途径。从2G到5G,基站天线数从传统的1发1收到64发64收,并行传输的数据流从1到16,系统的频谱效率也从0.5到100 bit/s/Hz,实现了大幅度的提升。如图1(a)~(c)所示,从3G到5G,多天线技术也历经了点到点MIMO、点到点多用户大规模MIMO和多点到多点的多用户分布式MIMO。商用5G在室内场景采用了基于点到点MIMO技术的小蜂窝组网(Small cell),在室外宏蜂窝场景采用了64发64收有源天线单元的大规模MIMO。5G小蜂窝组网通过密集部署低功率小站增强覆盖和传输速率,但是其面临的干扰问题使其容量难以进一步提升。5G大规模MIMO可大幅提高频谱效率,但同时其功耗、重量和成本都较大,通过进一步增加单站天线提升性能的方案将遇到瓶颈。



在蜂窝移动通信系统的部署中,采用光纤拉远的远端无线单元(RRU)可增强覆盖。一种简单的方式是,基站的基带单元(BBU)为不同的用户分配不同的时频资源,上行接收时多个RRU的基带信号经过时域合并后送至BBU,下行发送时多个RRU发送相同的信号。这种共小区实现方式目前仍被广泛应用于5G小蜂窝室内部署,也是早期分布式天线系统的概念。当多个RRU的接收信号透明地汇聚到BBU,采用协作传输技术形成多用户分布式MIMO(如图1(c)所示),可获得空间复用增益和宏分集。不同于共小区实现,分布式MIMO的多个用户可以共享相同的时频资源,进而显著提高系统的频谱效率[4]


1.2  CoMP、C-RAN、分布式MIMO及无蜂窝系统的关系

RRU的分布式部署以及云无线接入网(Cloud-RAN)的应用,为分布式协作传输的实现提供了基础设施的支撑。C-RAN引入基带池的概念,将多个RRU的基带信号汇聚到基带池,进而提高系统的灵活性并降低部署的成本。C-RAN是一种无线接入网的部署和实现形式,它可以支持协作传输,也可以支持非协作传输。目前在4G和5G的C-RAN商用部署中,并没有采用联合处理的协作传输。


4G引入了协作多点传输(CoMP)技术。CoMP允许一个小区内多个接入点之间的协作以及小区间的多个站点的协作。CoMP协作传输技术包括联合处理、干扰协调、协作波束赋形、协作调度。但是,4G引入的CoMP技术仍然是基于蜂窝的实现,并且由于站点间交互的容量受限、协作节点及天线数受限,CoMP的优势并没有被发挥出来。


无蜂窝大规模MIMO的基础设施仍依赖于分布式RRU部署,理论上仍然是一种多用户分布式MIMO。无蜂窝系统可以采用集中式处理和分布式处理。集中式处理可以采用C-RAN的部署方式,多个RRU的基带信号汇聚到集中式的BBU池,在BBU池实现联合处理。理论上,这种集中式实现可以获得最优的性能[4]。但是,由于BBU池的信号处理能力存在实现上的瓶颈,进而很难实现“无蜂窝”规模的无限扩大。


1.3  可扩展的无蜂窝大规模MIMO

图2给出了一种可扩展实现的无蜂窝的上行传输方法[5]。系统中有K个用户,有N个单天线RRU。对于上行传输,在每个RRU,其接收信号yn,先进行相干接收,可以得到K个用户信号sk的初步检测结果,对检测结果进行量化后,根据需要,分别发送给下一级基带处理单元。在基带处理单元中,对多个RRU发送的特定用户的检测结果进行合并,可以得到该用户最终的检测结果。



采用上述的实现方式有如下的优点:

(1)分布式相干接收在RRU实现,无需与其它RRU交互任何信道信息;

(2)理论上,即使采用简单的信道的共轭相乘的相干接收,当RRU个数N趋于无穷大,仍可以消除用户间干扰;

(3)在前传网络的支持下,用户合并可以在不同的基带单元中实现,进而可以实现RRU规模及用户规模的任意扩展。因此,上述的无蜂窝实现方式是可扩展的。


对于下行链路,我们仍可以采用图2所示的可扩展实现。可以看到,采用分布式实现,其核心思想是,收发机被切分为相干接收/发送、信号合并/分发两个实体模块。从理论上,这两个模块可以分布式实现,进而系统规模可以无限扩大。但是,无蜂窝的分布式实现与集中式实现相比,也有以下问题:


(1)集中式实现可以采用更优的接收机和预编码,因此,相比分布式,集中式能获得更好的性能;


(2)分布式实现可能引发前传开销的增大,如图2所示,每个RRU需要把每个用户的检测输出发送给下一级处理,因此前传开销大幅度增加。


从上述的介绍可以看到,无蜂窝大规模MIMO是分布式MIMO、CoMP的一种实现架构上的创新,与C-RAN也有一定的区别。[敏感词],我们分别介绍无蜂窝大规模MIMO在高频段、低频段上实现面临的挑战与关键技术。


2   低频段无蜂窝大规模MIMO关键技术


在sub-6 GHz低频段,大规模分布式MIMO的信道的具有如下特点:

(1)多用户到多节点时延各不相同,导致信道在频域变化较大;

(2)多个用户到多个节点的多普勒频偏不尽相同,用户移动时导致信道在时域也变化较大;

(3)用户和节点规模大,导致信道矩阵维度大。上述三个特点导致无蜂窝大规模MIMO系统的信道估计信息获取、传输方法设计等方面均面临挑战。


2.1  信道信息获取技术

采用时分双工模式,可以利用空口信道的互易性,根据上行探测获得下行信道信息,进而降低下行信道信息获取的难度。因此,空口的互易性校准对无蜂窝大规模MIMO系统有重要的作用。随着射频芯片技术的进步,单个RRU内部多通道的一致性已较为成熟。但是,由于无蜂窝系统要求多个RRU之间的空口校准。考虑到RRU之间距离较大,需要研究高性能的校准算法,例如文献[6]提出的迭代坐标下降法空口校准。另外,在实际部署中,由于多个RRU很难做到共时钟,下行联合预编码需要考虑RRU之间的时钟偏差。考虑到RRU之间的时钟偏差可以采用空口信号估计和跟踪,需要联合设计RRU之间的空口信号,实现时钟同步及互易性校准。幸运的是,由于5G NR的灵活帧结构,RRU间的空口信号可以做到对终端透明。


当上行空分用户较多时,上行探测信道的导频开销是一个重要的问题。利用信道功率域的稀疏性,采用导频复用技术,可以降低导频开销[4]。对于上行数据信道,我们需要估计多个用户到多个RRU之间的时延、多普勒等统计信息,采用参数化信道估计方法,可获得较为[敏感词]的解调参考信号的信道估计值。


下行信道状态信息参考信号(CSI-RS)对下行共享信道的信道估计有重要的辅助作用。采用终端透明的跟踪参考信号(TRS)可以实现对多个RRU复合信道的统计特性获取。但是,当无蜂窝大规模MIMO系统采用以用户为中心的传输方法时[7],只有部分RRU为用户服务,采用传统的TRS,会造成统计特性测量的不匹配。因此,在以用户为中心的无蜂窝大规模MIMO系统中,需要研究CSI-RS配置和设计。


2.2  分布式传输方法

为了实现无蜂窝的无限扩展,需要考虑分布式协作接收机和预编码。对于上行接收机,在RRU侧采用独立的多用户检测可以分离多个用户的信号,多用户检测可采用[敏感词]比合并、迫零、最小均方误差、[敏感词]似然等接收机。多用户检测后的用户信号经过量化后发送到下一级进行用户信号的合并。对于下行预编码,可以采用RRU独立的[敏感词]比发送、迫零预编码或正则化迫零预编码。考虑到在RRU侧实现独立的接收机或预编码前传开销较大、性能较差,需要研究部分RRU联合的接收机或部分RRU联合预编码。


如前所述,整体上无蜂窝系统的信道在时频上的变化较大。采用联合预编码和接收机的难点在于实现的复杂性。例如,当多个子带采用同一个预编码时,子带不能够太宽。采用文献[4]的干扰抑制接收机时,相同干扰抑制矩阵的子带宽度也不能太宽。


与上下行传输相关的还有终端上行的功率控制和下行的多用户功率分配。与传统的集中式MIMO不同,对于无蜂窝系统需要根据终端的QoS需求,实现上行的功率控制。学术界对协作MIMO的下行功率分配有较多研究。但是对于无蜂窝系统,需要考虑算法的可扩展性。另外,当多RRU联合预编码时,功率分配需要考虑每个RRU的功率约束。文献[8]提出了采用贪婪算法实现的可扩展功率分配方法。


当采用以用户为中心的无蜂窝系统时,还需要研究用户与RRU的关联。由于多节点的协作能力,采用上行探测信道及接收信号强度等定位方法,可以获得用户位置信息。根据用户位置信息,进而可以实现用户与RRU的关联,并可以辅助参考信号的复用。


3   高频段无蜂窝大规模MIMO关键技术


毫米波是5G引入的新技术。由于毫米波的近光学、易被遮挡特性,链路的鲁棒性是其主要挑战之一。因此,当前5G毫米波并没有大规模的商用。另外,由于毫米波系统的符号持续时间短,其也是实现低时延的一个技术途径。将协作传输技术引入毫米波系统,一方面可以解决其鲁棒性问题,实现超低时延超高可靠传输,另一方面,可以提高系统的频谱效率,进而提高系统总吞吐量。因此,毫米波大规模协作MIMO结合无蜂窝实现架构,将是满足6G高峰值速率、高频谱效率及低时延高可靠的关键技术之一。


然而毫米波无蜂窝大规模MIMO将面临更多的挑战,包括:

(1)受到相噪的影响以及毫米波射频前端通道一致性的限制,整体的上下行信道是否具有互易性以及校准的时效性尚需要研究。

(2)由于毫米波系统通常采用混合预编码,在无蜂窝系统中,多个节点和多用户的波束扫描需要进一步研究。

(3)毫米波的上行联合接收具有较强的可实现性,但是,不同于低频段,接收机需要设计模拟接收波束。根据上行探测信道可以求解出模拟接收波束。经过模拟接收波束后,结合类似低频段的接收机实现方式,可解决上行的多用户干扰。

(4)下行多用户协作传输是系统的难题,尤其是如何获得下行信道信息,实现混合预编码。当空口的互易性可用时,可使用协作的混合预编码设计[9]。当空口的互易性不可用时,需要终端反馈下行信道。采用人工智能的方式实现信道的压缩反馈是近期的研究热点[10],利用毫米波系统信道的稀疏性,反馈开销有望降低到可接受的程度。


4   基于无蜂窝大规模MIMO的网络辅助全双工技术


双工方式也是移动通信标准所关注的热点。5G采用了灵活双工。随着同时同频全双工(CCFD)技术的逐渐成熟,其在6G中的应用被进一步关注。但是5G引入的灵活双工以及CCFD在组网时,不可避免地面临交叉链路干扰问题[11],即:处于发送状态的RRU对处于接收状态的RRU的干扰和处于上行发送的终端对处于下行接收终端的干扰。无蜂窝大规模MIMO的协作传输能力为更加自由的双工提供了有力支撑。



图3给出了基于无蜂窝构架的网络辅助全双工(NAFD)示意图,它实现了真正意义上的灵活双工方式[12]。其主要工作原理包括:上下行无线链路在相同的频率资源上同时进行;每个RRU通过前传链路连接到基站基带处理单元(BBU),并由BBU实现联合基带处理;每个RRU由一个收发机来实现发送或接收或同时发送与接收,并由BBU根据整个网络的流量负载决定合适的双工方式。对于CCFD RRU而言,RRU的收发自干扰可以在模拟域上消除,因此我们可以将其看作为两个RRU,一个用于上行接收,另一个用于下行发送。另一方面,对于发送RRU与接收RRU间的干扰,由于该链路的准静态特性,链路间的信道矩阵可以以很低的开销估计得到,且BBU的集中处理使得它可以提前获得所有终端下行信号,从而可以在数字域上消除这种干扰。因此,在无蜂窝构架条件下,可用多个半双工RRU实现带内全双工,这也是我们把这种双工方式称之为NAFD的原因。


NAFD系统仍然存在上行用户对下行用户的干扰。消除该干扰的主要途径包括以下两种:


1)当下行用户能够估计出干扰用户的信道时,可通过干扰消除技术消除上行用户的干扰;

2)在BBU中采用联合上下行用户调度和分组配对或上行功率控制减轻这种干扰。


NAFD和现有的双工技术相比,主要有以下不同和优势。首先,和传统的时分双工相比,NAFD能够提供低时延的服务;和传统的频分双工相比,NAFD能够在不降低频谱利用率的情况下支持非对称业务。其次,与5G灵活双工技术相比,对于基于无蜂窝架构的NAFD,RRU可以为半双工或者CCFD,通过联合处理,可以降低灵活双工、混合半双工和CCFD网络中的交叉链路干扰。另外,基于无蜂窝架构的NAFD可以支持5G NR的灵活时分双工:当所有的RRU都工作在半双工模式,但是不同的RRU的时隙结构不同,同一时刻,部分RRU发送、部分RRU接收,采用NAFD可降低这种场景引发的交叉链路干扰。理论上来说,NAFD和CCFD的性能对比就类似于分布式MIMO和集中式MIMO的对比,分布式MIMO可以获得额外的功率增益以及宏分集[13]。由于RRU密度的增大,NAFD可以获得比CCFD更好的性能。


NAFD是一种基于无蜂窝架构的自由双工方式。目前,其仍然面临较多问题,主要包括:

(1)实际的5G NR系统中,由于上行要求的提前接收,RRU之间的收和发在时间上并不是对齐的,如何解决这种异步引发的干扰问题,需要在标准化设计时考虑。

(2)消除交叉链路干扰依赖于RRU之间的协作,采用集中式BBU方案时可以较好消除干扰,当采用分布式收发时,干扰消除能力需要进一步研究。

(3)采用完全动态的RRU收发控制,需要从全局的角度去研究收发模式选择[14],以降低干扰,提高系统容量。


5   结束语


无蜂窝大规模MIMO是打破传统蜂窝结构,实现大规模协作的有效途径。它的基本理论继承于多用户分布式MIMO,已被广泛证明有显著的性能增益。随着射频器件的进步,采用空口校准,可支撑无蜂窝大规模MIMO协作传输,是深度挖掘sub-6GHz系统的频谱效率、提升有可靠性的有效途径。经过近20年的研究和不断的试验验证[4],无蜂窝大规模MIMO将在6G系统发挥重要的作用。无蜂窝大规模MIMO的思想应用在毫米波系统中,将对超级上行有重要的支撑作用,是进一步深耕毫米波频段的重要技术途径。但需要看到,无蜂窝大规模MIMO应用于毫米波仍有较多的问题,需要进一步研究,并通过试验验证其可实现性。无蜂窝大规模MIMO是解决CCFD组网面临的干扰问题的重要手段,但是如何解决更加自由灵活的双工方式引入的干扰,还有很多的工作需要进一步深入研究。


★原文发表于《移动通信》2021年第4期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2021.04.002        

中图分类号:TN929.5       文献标志码:A       

文章编号:1006-1010(2021)04-0010-06

引用格式:王东明. 面向6G的无蜂窝大规模MIMO无线传输技术[J]. 移动通信, 2021,45(4): 10-15.

作者简介  

王东明(orcid.org/0000-0003-2762-6567):东南大学教授、博士生导师,博士毕业于东南大学,现任职于东南大学移动通信国家重点实验室和网络通信与安全紫金山实验室,研究方向包括无线传输技术和通信信号处理。


 


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