目录 | 2024年第6期 本期专题：6G无线技术
超越后向散射通信：超材料无源物联网感知新范式
多波束卫星通信系统中的非线性预编码算法研究
面向Sub-7 GHz频段分布式超大规模MIMO技术
索士强，谌丽，宋磊，苏昕，黄瑞华，王浩
（中信科移动通信技术股份有限公司，北京 ）
【摘 要】下一代移动通信系统将在新的频段进一步提升整体性能。面向未来6G系统在Sub-7 GHz频段部署所面临的连续覆盖、容量提升以及部署困难等潜在难题，提出了一种创新的总体方案。这一方案结合了以用户为中心的接入网架构与分布式超大规模MIMO技术，旨在实现更高效的通信性能和用户体验。在所提出的以用户为中心的网络构架中，系统能够突破中心化限制，构建出中心网络与边缘分布式网络结合的以用户为中心的端到端分布式自治网络，智能自适应端到端用户需求。基于该构架可通过动态调整小区的覆盖范围和容量，更好地应对不同场景下的用户需求。通过优化连接管理策略，可以有效减少连接中断和延迟，提升系统的稳定性和用户的满意度。针对上述接入网络构架，给出了分布式超大规模系统中的灵活小区构建、链接管理及接入过程方案，并对CSI测量上报、分布式天线校准等底层核心问题进行了分析。
【关键词】分布式超大规模MIMO；以用户为中心的智能接入网；灵活小区；6G
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.-0002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2024)06-0020-07
引用格式：索士强,谌丽,宋磊,等. 面向Sub-7 GHz频段分布式超大规模MIMO技术[J]. 移动通信, 2024,48(6): 20-26.
SUO Shiqiang, CHEN Li, SONG Lei, et al. Distributed Extremely Large-Scale MIMO Technology for Sub-7 GHz Frequency Band[J]. Mobile Communications, 2024,48(6): 20-26.
0 引言
在5G（5th-Generation）移动通信系统的大规模商用之后，业界已开启了面向下一代移动通信技术6G（6th-Generation）的探索。在未来，移动通信技术的迭代必将更加智能化、高效化和可持续化，这意味着通信网络需要更智能的管理和优化技术，以应对不断增长的数据需求和复杂的网络环境[1]。大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）作为5G的关键性技术之一，在提高传输速率、服务更大数量用户、增效降耗方面较传统MIMO技术有长足的进步。更加成熟的有源器件所使能的垂直维度波束赋形进一步扩大了天线阵列的规模[2]。为了进一步提升通信系统的容量和覆盖范围，业界提出了超大规模MIMO的概念。在超大规模MIMO系统中，基站端将有可能部署上千根物理天线，为更广泛的应用场景和新兴服务提供更加有力的支持。利用波束赋形和空间复用技术，超大规模MIMO系统能够有效地提高频谱利用率，实现更高的数据传输速率和更低的时延，从而为未来智能化时代的通信需求奠定坚实的基础。
然而随着天线维度增加，天线系统的体积、重量、迎风面积等都会相应的增加，集中式天线维度的进一步扩展将会受到明显的制约[3]。这种情况下，相对于集中式部署，将大规模天线系统化整为零分散到各个站点的分布式部署方式可以为等效天线阵列规模的扩展提供另外一种实现途径。通过大规模天线系统的分布式部署，不但可以更大幅度地扩展等效天线阵列的规模，而且也会增加信号的角度扩展，降低等效MIMO信道的相关性，从而获得更高的空间自由度以及更高的信道容量[3]。利用先进的信号协作处理方案，地理位置分散的多个节点可以形成具有更好空间聚拢效果的信号形态，准确地在用户处形成高质量的网络覆盖，从而显著地提升频谱效率。随着分布式节点数量的增加，信号传播距离缩短，系统能够以较低的发射功率维持信息传输质量，从而可以获得较高的能量效率[4]。此外，随着频段的升高，用户的移动和遮挡等因素会导致链路质量的急剧恶化。而分布式部署的大规模天线系统则可利用多站点协作的空间冗余度提高传输的可靠性，保证不同地理位置上用户体验的稳定与均衡性[5]。6G网络中的分布式超大规模MIMO系统呈现天线数更多、分布地理范围更广、智慧协同作用更深的显著特征。
通信技术的发展与频谱资源具有十分紧密的联系，预计6G系统将提供一个覆盖低、中、高频段的全频谱通信系统。在Sub-7 GHz频段，分布式超大规模天线技术对于实现无缝覆盖和高质量的用户体验具有至关重要的作用，特别是在高密度数据需求场景下，如大学校园、市中心商业区、体育场馆和交通枢纽等，将能够显著提升网络覆盖和容量性能。在Sub-7 GHz频段，分布式超大规模MIMO对系统性能的提升空间需要一系列关键技术的支撑，如动态协作、空口校准、调度方案、组网以及协作簇优化等。
1 Sub-7 GHz频段分布式超大规模MIMO技术必要性分析
多天线技术是保证系统覆盖和提升系统容量的重要手段，5G大规模天线技术主要通过增加空间维度来提供系统增益，比如容量、覆盖、可靠性等；面向6G，大规模天线技术将进一步演进升级，即通过天线规模的增加形成超大规模天线系统，提供更高的系统增益[6-7]。天线规模的不断扩展，导致集中式超大规模MIMO技术将面临体积增加、能耗增大、难于部署等问题。可以通过分布式部署解决以上问题，利用多个天线阵列构成分布式超大规模MIMO系统，降低对单天线阵列的天线规模要求，并能充分利用超大天线规模带来的空间增益。
5G移动通信系统主要利用2.6 GHz、3.5 GHz等较低的载波频段实现基础覆盖。随着移动通信系统的代际演进，低频率的载波资源越来越稀少，WRC（World Radio communication Conferences）-23已将6.425—7.125 GHz划分给IMT（International Mobile Telecommunication）系统，因此6G移动通信系统有望采用Sub-7 GHz频段作为其基础通信频段。采用分布式超大规模MIMO技术可以在复用5G站址的基础上，保证基础覆盖，同时提升系统容量。另一方面，随着频段的升高，波长逐渐减小，相同天线面板上可以部署更多的天线单元，为进一步构建分布式超大规模MIMO系统提供了可能。
在分布式网络架构基础上，更加有必要使用分布式传输技术。常用的分布式传输技术包括C-JT传输（Coherent-Joint Transmission）、NC-JT传输（Non-Coherent Joint Transmission）、DPS（Dynamic Point Selection）等。通过多个TRP（Transmit/Receive Point）协作，C-JT传输可以将TRP间或小区间干扰转化为有用信号，进而提升系统性能，因此C-JT是Sub-7 GHz频段提升性能的关键技术。此外，NC-JT和DPS技术可以用来应对Sub-7 GHz系统中的无线信道的遮挡效应。
2 分布式超大规模MIMO总体构架
基于如图1所示的三层五面6G智简赋能网络架构，6G网络将突破中心化限制，构建出中心网络与边缘分布式网络结合的以用户为中心端到端分布式自治网络，智能自适应端到端用户需求[8-9]。图2是以用户为中心端到端分布式自治网络示意图，图中CCU（Cloud-based Control Unit）、DDU（Distributed Data Unit）和TRP是接入网单元，其他是核心网功能单元。以用户为中心端到端分布式自治网络综合利用云化、通用化、平台化、虚拟化、服务化等技术构建集中式和分布式节点，实现6G网络按需部署、轻量化发展。从而实现以用户为中心端到端网络的四大特性：集中+分布按需部署；节点自治、即插即用；场景定制、互联互通；精准服务、按需部署。
在以用户为中心端到端分布式自治网络的总体架构下，分布式超大规模MIMO系统可以采用以用户为中心的智能接入网（UCAN, User-Centric Access Network）架构[10]，并通过内生AI的融合[11]，使得分布式超大规模MIMO在任何部署方式下，都能达到或逼近物理层理论增益的上限，从而在实际布网和产业化进程中，可以最大化分布式超大规模MIMO技术的性能增益，实现单用户性能最优化和网络性能最优化的双赢。
UCAN的设计基础是针对用户定义的灵活小区（Flexible Cell），也可以称为以用户为中心灵活小区UCFC（User-Centric Flexible Cell）。针对每个用户的Flexible Cell，UCAN统一管理和灵活组织各种平台上的网络节点，通过分布式信号处理和动态资源分配为用户提供按需一致的服务。
以用户为中心智能接入网络架构如图3中右半部分所示，其可以与5G架构部分后向兼容，并针对以用户为中心的目标，进行了架构单元和功能的重新设计。
UCAN设计要点包含几个部分：
（1）RAN-CN（Radio Access Network-Core Network）融合设计：核心网控制面功能按需下沉，与接入网侧控制面功能联合设计，实现控制面云化，从而实现三层五面架构中以用户为中心的编排管理面和控制面功能。核心网用户面功能下沉、按需部署，与接入网用户面功能联合设计，降低端到端时延，尤其是满足6G HRLLC（Hyper Reliable and Low-Latency Communication）的需求。核心网和接入网用户面的融合设计，是三层五面架构中以用户为中心的用户面设计的基础。
（2）控制面云化设计：在5G控制面与用户面分离的设计思想基础上，进一步将控制面锚点设置为CCU（Cloud-based Control Unit），不同于5G CU（Central Unit）仍然同时具有控制面和用户面功能。CCU采用完全的云化设计，执行接入网节点、功能和用户上下文的总体控制。在UCAN架构中，用户上下文和RRC（Radio Resource Control）管理采用超大区域的云化统一控制，打破传统蜂窝网以基站侧小区为单位的终端管理，为以用户为中心的接入网部署打下基础[14]。
（3）用户面连续性设计：DDU作为用户面锚点，在网络侧对用户面协议栈和功能连续管理，从用户角度，不需因为移动性等进行用户面协议的重置或重建。DDU还执行流映射、调度、TRP选择等用户面功能。TRP作为和用户终端执行空口传输的节点，和DDU是联合设计的，TRP和DDU间功能和协议栈可以按需协同，满足不同场景需求。
（4）智慧内生和对数据面的支持：UCAN架构中，CCU、DDU和TRP间既分工明晰，又联合设计、灵活部署的特性，可以支持基于用户需求动态添加、调整功能的服务，可以灵活适配新功能，如AI、感知等，天然支持6G智慧内生的需求和新引入的数据面功能。
从物理层角度看，分布式超大规模MIMO设计要点包含以下几个部分：
（1）信道信息获取：为提升分布式传输性能，信道信息获取尤为关键。在TDD（Time Division Duplex）系统中，网络侧可以利用上下行互易性获取下行信道信息。在FDD（Frequency Division Duplex）系统中，网络侧需要通过UE（User Equipment）的测量上报获取下行信道信息。随着TRP数量的增加，UE测量上报的时延和反馈开销均会增加。尤其在采用C-JT传输时，系统同时支持/调度的用户数显著提升，需要更加精细的信道信息获取方法（如更高精度的码本、更高效的反馈方案等）。为了UE提供更加优质的服务，信道信息获取是分布式技术的设计重点[12-13]。
（2）非理想因素补偿：C-JT传输作为一种分布式传输技术，既可以提高小区的平均谱效又可以提高边缘谱效。然而，C-JT传输对时间同步误差、频率同步误差、TDD上下行互易性误差等均有很严格的要求。当误差达到一定程度时，会使得TRP间无法进行相干传输，进而导致传输性能下降。因此，非理想因素补偿（如时频误差校准、互易性误差校准）是提升分布式传输性能的关键[16-17]。
3 分布式超大规模MIMO关键技术
从架构和高层技术层面，分布式超大规模MIMO的关键技术主要包括灵活小区构建、连接管理和以用户为中心的接入过程三个方面。
（1）灵活小区构建
灵活小区是以用户为中心智能接入网的基本单位，网络节点、功能、资源都是基于用户需求编排、部署和分配的。灵活小区构建是指基于以用户为中心智能接入网架构、物理层测量以及高层协议过程，保证UE总是处于最佳服务的灵活小区中的过程。灵活小区的构建可以基于多种准则，比如：信道质量准则、服务能力准则和能耗准则。网络在实际部署时可以根据用户的需求灵活选择某一准则或者它们的组合，达到满足以用户为中心需求的目的。
信道质量准则是指基于终端和网络侧节点之间的信道测量，由网络侧节点基于链路自适应算法，动态组织TRP（G），以最优资源和最小干扰，形成始终为终端提供按需服务的灵活小区。如图4，由于终端的移动性，基于信道质量准则，为灵活小区提供服务的TRPG依次为（TRP#1, TRP#2）->（TRP#2, TRP#3）->（TRP#3, TRP#4）。
服务能力准则是指在灵活小区构建中，根据网络侧节点所能提供的功能特性、服务能力等节点属性，合理组织TRP（G）形成满足用户需求的灵活小区。如图5，网络侧为三个终端构建三个独立的灵活小区，由于不同TRP所提供的服务能力不同，所形成的TRP（G）依次为（TRP#1, TRP#2）、（TRP#2, TRP#3）、（TRP#2），特别是针对#3号终端，由于其所需要的服务能力仅能由TRP#2提供，在满足覆盖的情况下，系统为其构建了由TRP#2组成的灵活小区，而非选择由信号质量更好的TRP#3构建灵活小区。
能耗准则是以用户为中心网络的显著特点。网络侧以最高效的方式组织TRP（G）满足用户需求，在满足用户需求的同时，最优化网络侧和终端侧的能耗。如图6，网络侧在满足用户需求的同时，可以优化资源分配，关闭部分TRP（图中TRP#2），终端也不用总是同时接收多个TRP的传输。
（2）连接管理
以用户为中心智能接入网采用控制面云化设计，由CCU对用户上下文和基础配置采用统一管理，实现了控制面的连续性。从接入网层面，不再需要与接入网没有连接的RRC idle态，UE接入网络后就一直处于RRC连接态。为了网络侧和终端侧节能，在RRC连接态下，划分为Inactive态和Active态两种子状态，如图7所示。Active态下，UE可以进行连续数据传输；Inactive态下，网络与终端之间主要维持安全上下文和承载上下文，终端不与特定的DDU/TRP保持固定的专用激活空口资源，在需要连续数据传输时，可以按需快速激活进入Active态。
（3）以用户为中心的接入过程
以用户为中心的接入过程主要包括接入配置获取和初始灵活小区构建两个方面，如图8所示。在接入配置获取方面，采用多节点联合系统消息传输，打破传统蜂窝网中网络侧小区的限制，实现资源优化和网络节能的效果。在初始灵活小区构建方面，除了上文灵活小区构建的三个准则，引入了多节点检测和高层节点（DDU）选择技术，从而实现以用户为中心的接入管理。
分布式超大规模MIMO的底层关键技术主要包括：
（1）CSI（Channel State Information）测量上报
在分布式超大规模天线系统中，尤其是FDD系统，网络侧需要根据UE的测量上报获得信道状态信息。随着分布式节点（TRP）数量的增多，如果仍然采用网络侧配置或触发的方式控制UE进行测量上报，需要对所有TRP组合进行测量，这样将会引入较长的测量时延。
UE可以利用系统中传输的参考信号，如波束测量参考信号、CSI测量参考信号、PDSCH DMRS等实时进行测量，当UE发现当前协作点集合传输质量下降、有更好用于传输的协作点集合、或者有更优的协作传输方案，UE均可以自主地发起测量上报方案，指示或请求网络侧为其更换协作点或更换传输方案。
以图9中周期性上报方案为例，在传统测量上报中，UE需要在网络侧配置的时间点进行测量上报。而UE发起的测量上报，可以在完成CSI测量后即时进行测量上报。另外，UE发起的测量上报方案，可以突破传统上报方案对测量&上报TRP范围的限制，理论上可以更快速地找到更为理想的协作TRP集合。
（2）天线校准
在TDD系统中，网络侧可以利用上下行互易性获取下行信道信息，进而减少CSI反馈开销并降低测量上报时延。然而，在TDD系统中，由于射频非理想特性的影响，从基站的基带到UE的基带对应的上下行等效信道可能并不具有互易性[18-19]。基于传统的自校准方案，仅能对同一TRP内部的天线进行校准，无法解决TRP间的天线校准，导致多TRP与UE之间的联合信道上下行互易性并不成立。
如图10所示，在每个TRP已进行内部天线校准情况下，每个TRP可以选择一根天线来发送校准参考信号，或者可以通过波束赋形的方式从多个天线发送校准参考信号[20-21]。UE测量该校准参考信号并向网络报告辅助信息，如辅助信息可以是两个TRP下行信道之间的相位差。另外，网络侧利用上行参考信号测量两个TRP之间的上行相位差，进而通过上下行相位差确定天线校准系数，利用校准系数减小TRP之间的互易性误差的影响，从而实现分布式天线阵列之间的天线校准。
4 总结与展望
在Sub-7 GHz频段，通过在网络中部署大量的分布式协作点，分布式超大规模MIMO能够有效地管理和消除用户间的干扰，显著提高系统的频谱效率。随着5G向6G的过渡，分布式超大规模MIMO预计将成为驱动行业技术创新的主要力量。它不仅将推动通信领域的进步，还将影响到智能制造、自动驾驶、远程医疗、智慧城市等多个行业，为它们提供高效、可靠且灵活的网络支持。这些行业将得以利用更高的数据传输速率、更低的延迟以及更广泛的网络覆盖，从而实现更加智能和自动化的运作。随着这些技术的商用部署，分布式超大规模MIMO将有助于网络服务更加个性化、更加高效，为用户提供更加丰富、多样的数字体验。随着这一技术的不断成熟和应用，有理由相信它将在未来系统中发挥越来越重要的作用。
参考文献：（上下滑动浏览）
[1] IMT-2030(6G)推进组. 6G总体愿景与潜在关键技术白皮书[R]. 2021.
[2] 王映民. 5G 移动通信系统设计与标准详解[M]. 人民邮电出版社, 2020.
[3] IMT-2030推进组无线技术工作组. 分布式超大规模MIMO技术研究报告[R]. 2023.
[4] Demir Z T, Bjrnson E, Sanguinetti L. Foundationsof user-centric cell-free massive mimo[J]. Foundations and Trends® in Signal Processing, 2020,14: 3-4.
[5] Ngo H Q, Ashikhmin A, Yang H, et al. Cell-free massive mimo versus smallcells[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017,16(3): 1834-1850.
[6] 牛海斌,苏昕,孙文龙,等. 具有用户QoS要求的无小区mMIMO系统最优下行功率分配策略[J]. 无线电通信技术, 2023,49(6): 1006-1012.
[7] Fred Wiffen, Woon Hau Chin, Doufexi Angela. Distributed Dimension Reduction for Distributed Massive MIMO C-RAN with Finite Fronthaul Capacity[C]//55th Asilomar Conference on Signals, Systems, and Computers, 2021.
[8] 中信科移动. 6G网络体系架构白皮书[R]. 2023.
[9] Future白皮书. User-Centric Access Network Technology Research for 6G[R]. 2023.
[10] Chen S, Chen L, Hu B, et al. User-Centric Access Network (UCAN) for 6G: Motivation, Concept, Challenges and Key Technologies[J]. IEEE Network, 2023.
[11] 谌丽,艾明,孙韶辉. 基于AI内生的无线接入网络架构[J]. 无线电通信技术, 2022,48(4): 574-582.
[12] Kim S, Choi JW, Shim B. Downlink Pilot Precoding and Compressed Channel Feedback for FDD-Based Cell-Free Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2020(6): 19.
[13] BE Godana, D Gesbert. Coordinated beamforming in multicell network with Channel State Information exchange delays[C]//IEEE 24th International Symposium on Personal Indoor & Mobile Radio Communications. IEEE, 2013.
[14] 刘海涛,谌丽,康绍莉,等. 面向6G网络融合的以用户为中心关键技术[J/OL]. 无线电通信技术,1-9[2024-05-28]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/13.1099.tn.20240428.1238.006.html.
[15] ITU-R M.2160-0 IMT. 面向2030及未来发展的框架和总体目标建议书[R]. 2023.
[16] Ganesan U K, Sarvendranath R, Larsson E G. BeamSync: Over-The-Air Synchronization for Distributed Massive MIMO Systems[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, early access, November 30th , 2023.
[17] Cao Y, Wang P, Zheng K, et al. Experimental Performance Evaluation of Cell-Free Massive MIMO Systems Using COTS RRU With OTA Reciprocity Calibration and Phase Synchronization[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2023,41(6): 1620-1634.
[18] 陈颖,尹良,孙君,等. 大规模MIMO时分双工系统信道互易性研究[J]. 北京邮电大学学报, 2018,41(3): 56-62.
[19] Xu S, Cao Y, Li C, et al. Spanning Tree Method for Over-the-Air Channel Calibration in 6G Cell-Free Massive MIMO[J]. IEEE Transactions on Wireless, 2023.
[20] 中信科移动. 超维度天线技术白皮书[R]. 2023.
[21] 3GPP. RP-, On Rel-19 MIMO enhancements[R]. 3GPP RAN #101 meeting, CATT, 2023. ★
★原文刊发于《移动通信》2024年第6期★
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