本文是三菱電氣針對(duì)實(shí)現(xiàn)5G Massive MIMO的關(guān)鍵技術(shù)，以及就提升目標(biāo)頻譜效率提出的一些觀點(diǎn)。

MIMO的時(shí)間互易性

在Rel-13中，MIMO、信道狀態(tài)信息（CSI）反饋用于在發(fā)射機(jī)處設(shè)計(jì)預(yù)編碼器。然而，在使用Massive MIMO陣列的多用戶多輸入多輸出（MU-MIMO）中，為了有效地消除用戶間干擾（IUI：inter user interference ），需要更高的CSI反饋分辨率。

作為來自接收端反饋信息的碼本對(duì)于在發(fā)射處的IUI取消是不夠的。不完美的IUI取消可能不能滿足目標(biāo)峰值數(shù)據(jù)速率。顯式信道反饋是不切實(shí)際的，因?yàn)榉答伒男畔⒘侩S著天線數(shù)量的增加而增加。可以使用CSI-IM，但它可能不足以消除大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中出現(xiàn)的IUI。此外，在NR中，額外引入新類型的參考信號(hào)或增加子幀中的參考信號(hào)的數(shù)目不是優(yōu)選的解決方案，因?yàn)閷?dǎo)頻污染是大規(guī)模MIMO中的痛點(diǎn)。

時(shí)間互易性是時(shí)域雙工（TDD）中的一個(gè)吸引人的特性，因?yàn)楣烙?jì)的上行信道也可以用作下行信道。因此，如果時(shí)間互易可用，則可以實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)的顯著減少。因此，NR應(yīng)結(jié)合上行參考信號(hào)設(shè)計(jì)，其利用信道中的互易性。然而，需要在收發(fā)之間進(jìn)行精確校準(zhǔn)，以建立對(duì)稱的上下行信道。

非線性MIMO預(yù)編碼

線性預(yù)編碼（LP：Linear precoding ）是實(shí)現(xiàn)多輸入多輸出（MU-MIMO）的一種傳統(tǒng)方法。塊對(duì)角化（BD：Block Diagonalization ）是為除目標(biāo)UE之外的UE創(chuàng)建規(guī)定的空值以減輕用戶間干擾（IUI）。BD在空間不相關(guān)的情況下工作良好，簡(jiǎn)化了接收機(jī)設(shè)計(jì)。然而，通過在MIMO系統(tǒng)中消耗自由度來為非目標(biāo)UE創(chuàng)建完美的零，在干擾抑制和可實(shí)現(xiàn)的空間分集之間出現(xiàn)了一種折衷。此外，LP的IUI緩解性能在病態(tài)或空間相關(guān)信道中顯著降低，導(dǎo)致有限的吞吐量。

或者，非線性預(yù)編碼（NLP）在MU-MIMO下行傳輸上實(shí)現(xiàn)接近容量并建立魯棒鏈路，即使在空間相關(guān)或病態(tài)信道中也是如此。如圖1所示，NLP可以通過預(yù)先取消TX處的IUI信號(hào)來等效地在UE接收點(diǎn)處產(chǎn)生空點(diǎn)。在典型的NLP方案中，需要在TX處結(jié)合前饋和反饋功能，其中前者是LP，后者是通過IUI預(yù)消除（PC：IUI-precancellation）實(shí)現(xiàn)的?；贚P統(tǒng)一矩陣的線性規(guī)劃可以通過塊三角剖分（BT：block triangulation ）實(shí)現(xiàn)。通過BT，在TX處的處理信號(hào)中創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)，以獲得空間分集增益。隨后，NLP可用于取消處理信號(hào)中的IUI。因此，使用LP和NLP的組合可以同時(shí)獲得空間分集和無IUI的信號(hào)。

圖4顯示了相對(duì)TX陣列輸出功率的CCDF，其中TX陣列由16根天線組成。在這里，橫坐標(biāo)由LP（BD）中的平均功率歸一化。由于NLP，信道變化可能會(huì)導(dǎo)致TX陣列在沒有模操作的情況下產(chǎn)生極高的輸出功率：在10-3的CCDF下超過30db。相反，從圖4可以看出，對(duì)NLP應(yīng)用模運(yùn)算可以顯著地將TX功率降低到與LP（BD）相當(dāng)?shù)乃?。還應(yīng)注意的是，在CCDF=10-3時(shí)，采用模運(yùn)算的NLP的相對(duì)陣列輸出功率比LP（BD）的低幾個(gè)dB。

圖5和圖6展示了MU-MIMO下行傳輸中的和速率頻譜效率（吞吐量）性能的CDF，其中在基站處有16個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列由8x8=64個(gè)元素組成，并且8個(gè)UE中每個(gè)UE具有2個(gè)天線。共有16個(gè)子流從基站傳輸。對(duì)于用戶分布，一對(duì)UE之間的距離和UE所經(jīng)歷的信道的空間相關(guān)度被改變。

與LP（BD）相比，NLP可以獲得更高的頻譜效率。在第10個(gè)百分位，90 bps/Hz可通過NLP獲得，而65 bps/Hz可通過LP（BD）獲得。通過比較圖5和圖6可以清楚地看出，在空間相關(guān)場(chǎng)景中，NLP的改進(jìn)是顯著的。

NR復(fù)用層數(shù)

目標(biāo)頻譜效率設(shè)置為30bps/Hz。在圖7和圖8中，顯示了具有不同歸一化衰落率的兩種配置的平均速率和曲線。在仿真中，假設(shè)具有理想信道估計(jì)的i.i.d信道，而信道在預(yù)編碼權(quán)重矩陣確定和實(shí)際下行傳輸之間的時(shí)間間隔內(nèi)變化。表1顯示了達(dá)到30bps/Hz的目標(biāo)信噪比。在高信噪比下，在每層4bps/Hz的最大頻譜效率下，至少需要8層才能達(dá)到目標(biāo)值。如果增加層數(shù)，則可以降低每層的最大頻譜效率和達(dá)到目標(biāo)值所需的信噪比。從圖8還應(yīng)該注意到，16層復(fù)用對(duì)多普勒擴(kuò)展帶來了更大的容忍度，以產(chǎn)生30bps/Hz。因此，在NR大規(guī)模MIMO中，MU-MIMO應(yīng)考慮多達(dá)16層復(fù)用以滿足30bps/Hz的目標(biāo)頻譜效率。