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，細緻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訊工作的科技人員、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。

第1章　大規模天線技術發展概述　1
1.1　無線通訊系統和天線　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　空間複用　5
1.2.4　干擾管理　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　通道相關係數特徵分析　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回饋　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　通道的運算式　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的週期與偏置設計　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與其他資源的優先順序處理　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關係　183
3.5.1　參考信號間的QCL關係　186
3.5.2　Rel-15 QCL的信令配置　189
3.6　小結　193

第4章　CSI回饋增強關鍵技術　195
4.1　5G中CSI測量、回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回饋的未來發展方向　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下的感知干擾的波束管理　312
6.3.4　基於人工智慧（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的功率共用　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的複用及渦旋波傳輸　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無線通訊發展　383
9.2.4　OAM與MIMO的關係　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　智能電磁表面　389
9.3.1　可控無線環境　389
9.3.2　智慧表面的理論與設計　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網路的特徵　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

魯照華，天津大學博士，教授級高級工程師。2004年開始在中興通訊股份有限公司從事3G、4G、5G移動通信系統關鍵技術研究工作，移動網路和移動多媒體技術 重點實驗室成員。在學術期刊和會議上發表論文二十餘篇，已授權發明專利五百余項。曾獲深圳市科技進步獎一等獎、深圳市技術發明獎一等獎、廣東省科技進步獎一等獎、廣東傑出發明人獎等榮譽。
 
袁弋非，海外高層次引進人才，清華大學本科和碩士畢業，美國卡內基-梅隆大學博士畢業。2000—2008年在朗訊貝爾實驗室從事3G和4G移動通信關鍵技術研究；2008—2020年在中興通訊股份有限公司擔任無線標準技術總監，負責4G和5G關鍵技術研究和標準推進工作；2020年調中國移動研究院，擔任首席專 家，負責5G和6G前沿技術研究及標準化工作。在 學術期刊和會議上發表論文五十餘篇，出版4G和5G中/英文專著8部，已授權美國專利四十余項。擔任漢斯《無線通訊》期刊主編，IEEE Communications Letters和China Communications編委，獲IEEE ComSoc亞太傑出論文獎。
 
吳昊，東南大學博士，2011—2012年在美國哥倫比亞大學電子工程系作為聯合培養博士從事科研工作。2015年開始在中興通訊股份有限公司從事無線通訊技術研究與標準化工作，擔任技術研究家、標準項目經理，其間代表中興通訊股份有限公司參加3GPP RAN和RAN1會議，在MIMO、AI、定位、終端節能等多個4G、5G技術方向上提交二百餘份提案。已在IEEE Trans等期刊或會議上發表論文十餘篇，擁有專利七十余項。
 
高波，清華大學博士，2015年開始任職于中興通訊股份有限公司，技術預研專 家，負責5G Massive MIMO前沿技術研究及標準化工作。已在 學術期刊和會議上發表論文二十餘篇，擁有5G專利十余項。
 
蔣創新，西安科技大學碩士，從事4G、5G 實體層標準化工作十餘年，精通3GPP標準，曾在NEC從事LTE MIMO、通道建模及系統級模擬等標準化研究工作。2016年加入中興通訊股份有限公司，從事無線通訊技術研究與標準化工作，擔任技術研究專家、標準項目經理，曾代表中興通訊股份有限公司參加3GPP RAN1和RAN會議，在MIMO、定位等多個4G、5G技術方向上提交二百餘份提案，擁有59項授權專利。