【5G无线接入技术系列】九、多天线传输

多天线传输

• [1. 引言](#1. 引言)
• [2. 下行多天线预编码](#2. 下行多天线预编码)
• • [2.1. TYPE I CSI](#2.1. TYPE I CSI)
  • [2.1.1. 单面板CSI](#2.1.1. 单面板CSI)
  • • [2.1.2. 多面板CSI](#2.1.2. 多面板CSI)
  • [2.2. TYPE II CSI](#2.2. TYPE II CSI)
• [3. NR上行多天线预编码](#3. NR上行多天线预编码)
• • [3.1. 基于码本传输](#3.1. 基于码本传输)
  • [3.2. 基于非码本预编码](#3.2. 基于非码本预编码)

多天线传输是NR、的关键组成部分，尤其在高频段更是如此。

1. 引言

移动通信系统采用多天线技术能显著提升性能。通过在收发端部署多天线，利用天线间信道的不相关性（由足够的空间间距或不同极化方向产生），可获得抗衰落分集增益。此外，发射端多天线通过精确调控各天线单元的相位 和幅度参数，能实现波束赋形------将发射功率集中到特定方向（波束成形）或进行更精确的空间定位。这种定向传输能增强目标接收端的信号强度，从而提高数据传输速率和通信距离，同时减少对其他链路的干扰，提升频谱效率。

接收端多天线同样可通过定向接收增强目标信号并抑制干扰。当收发两端均采用多天线时，还能实现空间复用技术------在相同时频资源上并行传输多个数据流。

在LTE系统中，多天线技术（包括分集、波束赋形和空间复用）是实现高速率和高效率的关键。而在NR系统中，由于可工作在更高频段，多天线技术的重要性更加凸显。

学术界普遍认同（且基本正确）的观点是：高频段通信会带来更大的传播损耗和更短的通信距离。但这种认知部分源于传统假设------接收天线尺寸需与波长（即载频的倒数）成正比。例如当载频提高10倍（波长缩短为1/10）时，若天线尺寸同比缩小，其有效面积将减至1/100，导致接收能量降低20dB。

若保持接收天线尺寸不变，则可避免接收能量下降。但这会使天线尺寸相对于波长增大，本质上增强了天线的方向性。只有当接收天线精确对准目标信号时，这种增益才能实现。

若同时保持发射天线尺寸不变（增强发射方向性），高频段的链路预算还能进一步改善。在理想视距传播条件下（忽略其他损耗），高频段的整体链路预算反而会提升。现实中，高频段通信确实面临更大挑战，如大气衰减加剧和绕射能力减弱导致的非视距性能下降。但高频段的方向性优势仍广泛应用于点对点链路------通过采用高方向性天线并建立视距连接，即使在极高频率下也能实现远距离通信。

在移动通信系统中，终端设备通常随机分布且朝向不定，因此无法采用固定式高方向性天线。取而代之的是由多个小型天线单元组成的天线面板，这种设计既能扩展接收天线面积，又能支持高方向性传输。每个天线单元的尺寸和间距都与工作波长成正比：频率升高时，单元尺寸和间距相应减小。若保持天线整体尺寸不变，则可通过增加单元数量来补偿。上图展示了一个工作于28GHz频段的64单元双极化天线面板实例，其中AAA电池用于尺寸参照。

这种多天线面板相比单个大型天线具有显著优势：可通过独立调节每个单元的相位来调整发射波束方向。当接收端采用类似上图的多天线面板时，同样能通过相位调整实现接收波束控制。

所有线性多天线传输方案均可采用上图的通用模型描述，其中 N L N_L NL层向量 x \bf{x} x通过 N T × N L N_T×N_L NT×NL维矩阵 W \bf{W} W映射至 N T N_T NT个发射天线（向量 y \bf{y} y）。虽然该模型适用于多数场景，但具体实现会受到不同约束条件的影响。关键实现问题在于多天线处理（矩阵 W \bf{W} W）在发射链路中的位置，主要存在两种方案：

• 模拟处理：位于数模转换之后（下图左侧）
• 数字处理：位于数模转换之前（下图右侧）

数字方案的主要缺点是复杂度高，特别是需要为每个天线单元配备独立的数模转换器。对于高频段大规模天线阵列，模拟处理方案（上图左侧）在中短期内更具优势，此时多天线传输主要实现波束赋形功能（见下图）。

需要强调的是，这种限制可能并不严重。在高频段应用场景中，系统性能通常受功率而非带宽限制，因此波束赋形技术比高阶空间复用等技术更具优势。相比之下，低频段场景往往面临相反情况：频谱资源较为紧张，难以实现宽频带传输。

模拟处理方式还意味着波束赋形需要逐个载波实施 。在下行链路传输中，这导致基站无法通过频分复用的方式同时向不同方向的终端设备进行波束赋形传输。如下图所示，对不同方向终端的波束赋形必须采用时分方式进行。

在低频段小规模天线阵列等特定场景下，使用数字域多天线处理方案。该方案具有更强的灵活性：不仅支持高阶空间复用，其传输矩阵 W \bf{W} W还可作为通用的 N T × N L N_T×N_L NT×NL矩阵（每个元素同时包含相位调整和比例因子）。此外，数字处理允许在同一载波内对不同信号实施独立的多天线处理。如下图所示，基站可通过频分复用实现同时向多个方向终端的波束赋形传输。

当采用数字处理（或更灵活的天线权重控制）时，传输矩阵 W \bf{W} W通常称为预编码矩阵，相应的多天线处理技术则称为多天线预编码。

模拟与数字多天线处理的性能差异同样体现在接收端。在模拟处理方案中，多天线处理在模数转换前的模拟域完成，实际应用中仅能实现接收端波束赋形------每次接收波束只能对准一个方向，不同方向的接收需要分时进行。

数字方案具有完全的灵活性，能够同时接收多个空间层，并对来自不同方向的多个信号进行波束赋形接收。与发射端类似，接收端数字多天线处理的主要缺点在于较高的复杂度，特别是每个天线单元都需要独立的模数转换器。

在多天线预编码中，一个关键问题是：用于支持预编码信号相干解调的DMRS（解调参考信号）是否需要同样经过预编码处理。如果DMRS未经预编码，接收端必须知道发射端使用的预编码器信息，才能正确解调预编码数据信号。

另一种情况是，当参考信号与数据信号一起经过预编码处理后，从接收端的角度来看，预编码过程可以被视为整体多维信道的一部分（如上图所示）。此时，接收端感知到的不是原始的 N R × N T N_R×N_T NR×NT维度信道矩阵 H \bf{H} H，而是经过发射端预编码矩阵 W \bf{W} W处理后的 N R × N L N_R×N_L NR×NL维度等效信道 H ′ \bf{H'} H′。这种机制使得预编码过程对接收端透明，意味着发射端可以自由选择预编码矩阵，而无需向接收端告知具体的预编码器信息。

2. 下行多天线预编码

在NR系统中，所有下行物理信道均通过专用解调参考信号（DMRS）实现相干解调。值得注意的是，终端设备默认DMRS会与数据进行联合预编码。这一机制使得下行多天线预编码对终端完全透明，网络可自由选择任意发射端预编码方案而无需向终端设备披露具体实现细节。

关于下行多天线预编码的标准化规范，其核心在于终端设备为支持网络选择PDSCH预编码器而进行的测量与上报流程。这些预编码相关的测量上报可能包含以下参数组合：

• 秩指示（RI） ：建议的传输层数 N L N_L NL
• 预编码矩阵指示（PMI）：在给定秩下推荐的最优预编码矩阵
• 信道质量指示（CQI）：基于选定预编码矩阵推荐的调制编码方案

需要强调的是，终端上报的PMI仅反映其对自身下行传输的最优预编码建议。每个PMI对应一个特定预编码矩阵，所有可选PMI构成预编码码本。特别地，终端选择PMI时需考虑两个关键参数：由CSI-RS配置确定的天线端口数 N T N_T NT，以及选定的秩 N L N_L NL，每个有效的 N T N_T NT与 N L N_L NL组合至少对应一个独立码本。

需要特别说明的是，下行多天线预编码码本仅服务于PMI上报功能，对网络实际采用的预编码方案无任何约束。网络可自由实施任何预编码策略，包括但不限于已定义码本中的方案。

通常情况下，网络会采用终端上报的PMI建议作为预编码器的首选方案。但在特定场景下，网络可能获取支持不同预编码的辅助信息。以多天线预编码为例，它能实现多用户MIMO（MU-MIMO）技术，即在相同时频资源上同时向多个终端进行下行传输。MU-MIMO的核心原理在于：所选预编码矩阵不仅要聚焦能量至目标终端，还需有效抑制对同频调度终端的干扰。因此，针对特定终端的预编码选择不仅要参考该终端上报的PMI（仅反映其信道状态），还需综合评估所有同频调度终端上报的PMI。

为适应不同应用场景，NR规范定义了两种预编码码本结构：

1. I类CSI

   适用于单用户调度场景（非MU-MIMO），特点包括：

   • 支持高阶空间复用，可并行传输较多数据层
   • 码本结构相对简单，主要通过接收端的多天线处理消除层间干扰
   • 实现发射能量向目标接收端的有效聚焦

2. II类CSI

   专为MU-MIMO场景设计，特点包括：

   • 支持同频资源多设备调度，但每个设备最多分配两层空间层
   • 提供更高空间粒度的信道信息，使预编码器能同时实现：
     • 目标设备能量聚焦
     • 同频设备干扰抑制
   • 反馈开销显著增加（可达数百比特），因此更适用于低移动性场景

2.1. TYPE I CSI

I型CSI包含两种子类型：I型单面板CSI和I型多面板CSI，分别对应不同的码本设计。这些码本的设计基于网络/发射端采用特定天线配置的假设。

需要强调的是，虽然码本设计时考虑了特定天线配置，但这并不限制其在实际部署中的应用。终端设备在进行下行链路测量并选择预编码矩阵时，完全基于估计的信道条件选择最优的预编码矩阵，而不需要预先了解网络侧的天线配置情况。

2.1.1. 单面板CSI

I类单面板CSI码本的设计基于单个天线面板，该面板配置了 N 1 × N 2 N_1×N_2 N1×N2个交叉极化天线单元。以(N1, N2)=(4, 2)为例，如下图所示，该系统对应16端口天线配置（双极化）。

在该码本中，预编码矩阵 W \bf{W} W可分解为 W 1 \bf{W_1} W1和 W 2 \bf{W_2} W2两个矩阵的乘积。终端通过PMI的不同部分分别上报这两个矩阵的选择信息。

W 1 \bf{W_1} W1矩阵主要用于表征信道的长期宽带特性 ，因此终端会在整个上报带宽范围内选择一个最优 W 1 \bf{W_1} W1矩阵进行宽带反馈。

W 2 \bf{W_2} W2矩阵则负责捕获信道的短期特性 ，可能具有频率选择性。终端可选择基于子带上报 W 2 \bf{W_2} W2矩阵，也可以选择不上报。若选择不上报 W 2 \bf{W_2} W2，终端在计算CQI时需假设网络会按PRG（物理资源块组）随机选择 W 2 \bf{W_2} W2矩阵。需要说明的是，这种假设仅影响终端CQI的计算，并不限制网络实际采用的预编码方式。

从功能上看， W 1 \bf{W_1} W1矩阵定义了特定方向的波束（有时可能是一组相邻波束）。具体而言， W 1 \bf{W_1} W1矩阵可表示为:

W 1 = B 0 0 B \bf{W_1}=\begin{bmatrix} \bf{B} & \bf{0} \\ \bf{0} & \bf{B} \end{bmatrix} W1=B00B

矩阵 B \bf{B} B的每一列定义一个波束，其 2 × 2 2×2 2×2块结构源于双极化特性。需要注意的是，由于假定矩阵 W 1 \bf{W_1} W1仅捕获长期且与频率无关的信道特性，因此可以假设相同的波束方向适用于两个极化方向。

矩阵 W 1 \bf{W_1} W1（或等效矩阵 B \bf{B} B）的选择实质上是从码本中所有可能的波束方向中确定特定方向。在秩1或秩2传输时， W 1 \bf{W_1} W1定义单个波束或四个相邻波束。当矩阵 B \bf{B} B的四列生成四个相邻波束时， W 2 \bf{W_2} W2则用于精确选择传输波束。由于 W 2 \bf{W_2} W2支持子带级上报，因此可以实现子带级别的波束方向精细调整。同时， W 2 \bf{W_2} W2还负责两个极化方向之间的共相位调整。若 W 1 \bf{W_1} W1仅定义单个波束（即 B \bf{B} B为单列矩阵），则 W 2 \bf{W_2} W2仅执行双极化共相位功能。

对于传输秩 R R R大于2的情况， W 1 \bf{W_1} W1将定义 N N N个正交波束（ N = ⌈ R / 2 ⌉ N=\lceil{R/2\rceil} N=⌈R/2⌉）。这 N N N个波束及其各自的两个极化方向共同参与 R R R个层的传输，此时 W 2 \bf{W_2} W2仅用于双极化间的共相位调整。设备最高可支持八层传输。

2.1.2. 多面板CSI

相比单面板CSI方案，I类多面板CSI码本的设计着眼于网络侧多天线面板的协同使用，同时兼顾不同面板间传输相干性难以保证的特性。其核心设计采用两或四个二维面板的天线阵列，每个面板由 N 1 × N 2 N_1×N_2 N1×N2个交叉极化天线单元构成。如下图所示，以四天线面板配置为例（ N 1 = 4 ， N 2 = 1 N_1=4，N_2=1 N1=4，N2=1），形成32端口天线架构。

I类多面板CSI延续了单面板的基本原理，关键差异在于：矩阵 W 1 \bf{W_1} W1需要为每个极化和面板独立定义波束，而矩阵 W 2 \bf{W_2} W2则负责子带内跨极化和跨面板的相位调整。该方案最高可支持四层空间复用传输。

2.2. TYPE II CSI

与I型CSI相比，II型CSI能够提供更精细的空间粒度信道信息。类似于I型CSI，II型CSI同样基于大规模波束集的宽带波束选择与上报机制。不同之处在于，I型CSI仅选择并上报单个波束，而II型CSI最多可支持四个正交波束的选择与上报。对于每个选定波束及其两种极化方向，上报的PMI信息包含幅度值（部分宽带/部分子带）和相位值（子带）。这种机制能够构建更为精确的信道模型，有效捕捉主径及其对应的幅度与相位特性。

在网络侧处理过程中，通过整合多设备的PMI信息，可以识别出适合在同一组时频资源上并行传输的设备集合（MU-MIMO），并为每次传输确定最优预编码器。考虑到II型CSI专为MU-MIMO场景优化设计，其对每个设备的传输层数设置了最高两层的限制。

3. NR上行多天线预编码

NR支持上行链路（PUSCH）的多天线预编码传输，最高可达四层。

但需注意，当采用基于DFT的变换预编码时，仅支持单层传输。

PUSCH多天线预编码支持两种配置模式：基于码本的传输 和非基于码本的传输。模式选择主要取决于上行/下行信道互易性假设，即设备通过下行测量来推断上行信道状态的能力。

与下行链路类似，PUSCH的多天线预编码同样适用于DMRS相干解调。

上行预编码对接收端透明，这意味着接收端无需知晓发射端具体采用的预编码方案即可完成解调。

但需注意，设备对预编码器的选择并非完全自由。在基于码本的传输中，调度授权会包含预编码器信息，类似于下行链路中设备提供的PMI。不同的是，上行链路中设备必须使用网络指定的预编码器。即使在非码本传输中，网络仍会对预编码器的最终选择施加影响。

上行多天线传输还受限于设备天线间的相干性程度，即控制不同天线信号相对相位的能力。

典型的多天线预编码需要对各天线端口的信号施加特定权重因子（含相位偏移）。若天线端口间缺乏相干性，这种权重调节将失去意义，因为每个端口都会引入随机相对相位。

NR规范定义了三种天线端口相干性能力：

1. 完全相干：设备可精确控制最多四个端口间的相对相位
2. 部分相干：仅能确保端口对内部的相位控制，端口对间不保证相干性
3. 无相干：任意端口对间均无法保证相位相干性

3.1. 基于码本传输

码本传输的基本原理如下：网络首先确定上行传输的秩（传输层数）及对应的预编码矩阵，并通过上行调度授权通知终端设备。终端随后将指定的预编码矩阵应用于调度的PUSCH传输，将特定数量的层映射到天线端口。

为确定合适的秩和预编码矩阵，网络需获取终端天线端口与接收天线间的信道估计。因此，支持码本PUSCH的终端通常需要具备多端口SRS传输能力。网络通过测量配置的SRS进行信道探测，从而选择最优的传输参数。

在选择预编码矩阵时，网络需遵循以下约束（例如上图展示两天线端口相干性方面的能力）：

1. 对于给定的天线端口数 N T N_T NT（2或4）和传输秩 N L N_L NL（ N L ≤ N T N_L≤N_T NL≤NT），网络只能从有限的上行码本中选择预编码矩阵
2. 需考虑终端的相干性能力：
   • 非相干终端在单秩传输时仅能使用前两个预编码矩阵（相当于天线端口选择）
   • 其他预编码向量要求天线端口间保持相干性
   • 秩2传输时，非相干终端只能选择第一个不耦合天线端口的矩阵

下图展示了四天线端口情况下的预编码矩阵选择规则：

• 无相干性：仅支持天线端口选择
• 部分相干性：允许端口对间的线性组合及选择
• 完全相干性：支持所有四个端口的线性组合

NR码本PUSCH传输在LTE方案基础上进行了扩展：

1. 支持更丰富的码本配置
2. 允许设备发射多组多端口SRS
   • 网络通过1比特SRI指示选用哪个SRS资源
   • 设备使用指定SRS对应的天线端口和空间滤波器进行传输

可视化基于码本的PUSCH传输中多SRS使用的一种方法是假设设备在分离的、相对较大的波束内发射多端口SRS（见下图）。这些波束可能对应不同方向的不同设备天线面板，每个面板包含一组天线单元，对应于每个多端口SRS的天线端口。从网络接收的SRI随后决定使用哪个波束进行传输，而预编码器信息（层数和预编码器）决定如何在选定波束内执行传输。例如，在全秩传输情况下，设备将在网络选择并通过SRI信号指示的波束内进行全秩传输（下图上部）。在另一个极端情况下，单秩传输时预编码实际上会在SRI指示的较宽波束内创建额外的波束成形（下图下部）。

码本预编码主要应用于上下行信道互易性不成立的场景，通过上行测量确定最优的上行传输方案。

3.2. 基于非码本预编码

与基于码本的预编码（依赖网络测量和上行预编码器选择）不同，非码本预编码基于终端测量结果并向网络指示预编码器。

上图展示了上行非码本预编码的工作原理：

1. 终端通过下行CSI-RS测量自主选择适合的多层上行预编码器。这种机制基于信道互易性假设，即终端可通过下行测量推断上行信道状态。由于终端选择预编码器时不受码本限制，故称为"非码本"。

2. 预编码矩阵 W \bf{W} W的每列代表一个数字波束。终端为 N L N_L NL层选择的预编码器实际上就是选择了 N L N_L NLg个不同的波束方向，每个波束对应一个数据层。

3. 虽然终端可直接使用自选预编码器进行PUSCH传输，但从网络角度看，这种选择可能不是最优的。因此NR规范允许网络修改终端预编码器，具体方式是从所选预编码矩阵中移除部分波束（删除对应列）。

实现流程如下：

• 终端将所选预编码器应用于配置的SRS资源（上图步骤2），每个波束对应一个SRS传输
• 网络通过测量接收的SRS，在调度授权中使用SRI指定要保留的SRS子集（步骤3）
• 终端最终使用精简后的预编码矩阵（仅保留SRI指示的列）进行PUSCH传输（步骤4）
• SRI同时隐式确定了传输层数

注意事项：

• 终端预编码选择（步骤2）并非每次调度都执行，可通过周期性/半持续或非周期SRS触发
• 网络对预编码器的调整（选择波束子集）则针对每个PUSCH调度执行