11.1　简介

使用多个天线进行传输和/或接收可以在移动通信系统中提供巨大的好处。发射机和/或接收机侧的多个天线可用于通过利用不同天线所经历的信道可能至少部分不相关的事实来提供分集抗衰落，这可能是由于足够的天线间距离或由于天线之间的不同极化天线。此外，通过仔细调整每个天线元件的相位，可能还有幅度，可以使用发射机侧的多个天线来提供方向性，即将总发射功率集中在某个方向（波束形成）或，在更一般的情况下，到空间中的特定位置。由于到达目标接收器的功率更高，这种方向性可以增加可实现的数据速率和范围。方向性还将减少对其他链路的干扰，从而提高整体频谱效率。类似地，多个接收天线可用于提供接收器侧方向性，将接收集中在目标信号的方向上，同时抑制来自其他方向的干扰。最后，发射端和接收端都存在多个天线，可用于实现空间复用，即使用相同的时间/频率资源并行传输多个“层”。在 LTE 中，用于分集、方向性和空间复用的多天线传输/接收是实现高数据速率和高系统效率的关键工具。然而，多天线传输/接收对于 NR 来说是一个更为关键的组成部分，因为与 LTE 相比，它可以部署在更高的频率上。有一个公认且在很大程度上正确的假设，即更高频率的无线电通信与更高的传播损耗和相应缩小的通信范围相关联。然而，这至少部分是由于假设接收器天线的尺寸与波长成比例，即与载波频率的倒数成比例。例如，载波频率增加十倍，对应于波长减少十倍，假设意味着接收器天线的物理尺寸相应减少十倍或物理天线面积减少 100 倍。这相当于天线捕获的能量减少了 20 dB。如果接收器天线尺寸随着载波频率的增加而保持不变，则可以避免捕获能量的减少。然而，这意味着天线尺寸会相对于波长增加，这会固有地增加天线的方向性。因此，只有当接收天线很好地指向目标时，才能实现具有较大天线尺寸的增益信号。通过保持发射端天线的尺寸不变，实际上增加发射天线的方向性，可以进一步改善更高频率的链路预算。假设视距传播并忽略其他损耗，则总体链路预算实际上会针对更高频率得到改善。实际上，还有许多其他因素会对较高频率下的整体传播损耗产生负面影响，例如较高的大气衰减和较少的衍射，从而导致非视距传播性能下降。尽管如此，更高频率下更高天线方向性的增益仍广泛用于点对点无线电链路，在这种链路中，在发射器和接收器端使用高度定向的天线，并结合视距链路，可以实现相对较长的传输距离。尽管在非常高的频率下运行，但仍然可以进行范围通信。在移动通信系统中，设备位于相对于基站的许多不同方向，并且设备本身具有基本上随机的旋转方向，使用固定的高方向性天线显然是不适用的。然而，类似的效果，即，通过由许多小天线单元组成的天线面板，也可以实现整个接收天线区域的扩展，从而实现更高方向性的传输。在这种情况下，每个天线元件的尺寸以及天线元件之间的距离与波长成比例。随着频率的增加，每个天线元件的尺寸以及它们的相互距离因此减小。然而，假设整个天线配置的大小不变，这可以通过增加天线元件的数量来补偿。

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图 11.1 显示了此类天线面板的示例，该天线面板由 64 个双极化天线元件组成，目标频段为 28 GHz。 AAA 电池包含在图片中，作为天线面板整体尺寸的指示。与单个大天线相比，这种具有大量小天线元件的天线面板的好处在于，可以通过单独调整施加到每个天线元件的信号的相位来调整发射器波束的方向。接收端采用多天线面板，如图11.1所示，也可以达到同样的效果，即可以通过单独调整接收信号的相位来调整接收波束方向。每个天线元件。一般来说，任何线性多天线传输方案都可以根据图 11.2 建模，其中 NL 层由向量 x 捕获，通过与大小为 NT 的矩阵 W 相乘映射到 NT 个发射天线（向量 y） 3荷兰。

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图 11.2 的一般模型适用于大多数多天线传输情况。然而，根据实施情况，会有不同程度的限制影响多天线传输的实际能力。一个这样的实现方面涉及在整个物理发射机链中多天线处理，即图11.3的矩阵W，被应用的位置。

在高层次上，可以区分两种情况：

多天线处理应用于发射机链的模拟部分，即在数模转换之后（图 11.3 的左侧部分）；
多天线处理应用于发射机链的数字部分，即在数模转换之前（图 11.3 的右侧部分）。

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根据图 11.3 右侧部分的数字处理的主要缺点是实施复杂，尤其是每个天线元件需要一个数模转换器。因此，在具有大量紧密间隔天线元件的较高频率操作的情况下，根据图 11.3 左侧部分的模拟多天线处理将因此是最常见的情况，至少在短期和中期是这样观点。在这种情况下，多天线传输通常仅限于提供波束成形的每个天线相移（见图 11.4）。

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应该注意的是，这可能不是一个严重的限制，因为在较高频率下的操作通常更受功率限制而不是带宽限制，这使得波束形成比例如高阶空间复用更重要。相反的情况通常适用于较低频段，其中频谱是更稀疏的资源，宽传输带宽的可能性较小。模拟处理通常还意味着任何波束形成都是在每个载波的基础上执行的。对于下行链路传输方向，这意味着不可能将波束成形传输频率复用到相对于基站位于不同方向的设备。换句话说，到位于不同方向的不同设备的波束成形传输必须在时间上分开，如图 11.5 所示。

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在其他情况下，特别是在较低频率的天线单元数量较少的情况下，可以根据图 11.3 的右侧部分在数字域中应用多天线处理。这使得多天线处理具有更高的灵活性，具有高阶空间复用的可能性并且传输矩阵W是一般的NT 3 NL矩阵，其中每个元素可以包括相移和比例因子。数字处理还允许对同一载波内的不同信号进行独立的多天线处理，从而也可以通过频率复用的方式向相对于基站位于不同方向的多个设备同时进行波束成形传输，如图 11.6 所示。
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在数字处理的情况下，或者更一般地在可以灵活控制天线权重的情况下，传输矩阵W通常被称为预编码器矩阵并且多天线处理通常被称为多天线预编码。模拟和数字多天线处理之间的能力差异也适用于接收器端。在模拟处理的情况下，多天线处理在模数转换之前应用于模拟域。实际上，多天线处理随后仅限于接收器端波束形成，其中接收器波束一次只能指向一个方向。来自两个不同方向的接收则必须在不同的时间实例发生。另一方面，数字实现提供了充分的灵活性，支持并行接收多层，并支持同时接收来自不同方向的多个信号。与发射机侧类似，接收机侧数字多天线处理的缺点在于复杂性，尤其是每个天线元件需要一个模数转换器。对于本章的其余部分，我们将重点关注多天线预编码，即完全控制预编码器矩阵的多天线传输。第 12 章讨论了模拟处理的局限性以及这些模仿如何影响 NR 设计。多天线预编码的一个重要方面是预编码是否也应用于用于支持相干解调的解调参考信号 (DMRS) 的预编码信号。如果未对 DMRS 进行预编码，则需要通知接收器在发射器侧使用什么预编码器以实现预编码数据传输的适当相干解调。另一方面，如果参考信号与数据一起预编码，从接收器的角度来看，预编码可以被视为整个多维信道的一部分（见图 11.7）。

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简单地说，代替“真正的”NR x NT 信道矩阵H，接收器将看到大小为NR x NL 的信道H0，其是信道H与在发射器侧应用的任何预编码W的级联。因此，预编码对接收器是透明的，这意味着发射器至少在原则上可以选择任意预编码器矩阵，并且不需要将所选预编码器告知接收器。

11.2　下行多天线预编码

所有 NR 下行链路物理信道都依赖于信道特定的 DMRS 来支持相干解调。此外，设备可以假定 DMRS 与符合图 11.7 的数据联合预编码。因此，任何下行链路多天线预编码对设备都是透明的，并且网络原则上可以应用任何发射机侧预编码而无需通知设备应用了何种预编码。因此，下行链路多天线预编码的规范影响主要与设备进行的测量和报告有关，以支持预编码器的网络选择用于下行链路 PDSCH 传输。这些与预编码器相关的测量和报告是更通用的 CSI 报告框架的一部分，该框架基于第 8.2 节中描述的报告配置。如那里所述，CSI 报告可能包含以下一个或多个量： • 秩指示符 (RI)，指示设备认为什么是合适的传输秩，即下行链路的适当传输层数 NL 传送; • 预编码器矩阵指示器（PMI），指示设备认为什么是合适的预编码器矩阵，给定选定等级； • 信道质量指示器(CQI)，在实践中指示设备认为什么是合适的信道编码率和调制方案，给定选定的预编码器矩阵。如上所述，设备报告的 PMI 指示设备认为什么是适合用于到设备的下行链路传输的预编码器矩阵。因此，PMI 的每个可能值都对应于一个特定的预编码器矩阵。这组可能的 PMI 值因此对应于一组不同的预编码器矩阵，称为预编码器码本，设备在报告 PMI 时可以在这些矩阵之间进行选择。请注意，设备基于一定数量的天线端口 NT 选择 PMI，由与报告配置关联的已配置 CSI-RS 的天线端口数量和所选秩 NL 给出。因此，对于 NT 和 NL 的每个有效组合，至少有一个密码本。重要的是要理解，用于下行链路多天线预编码的预编码器码本仅在 PMI 报告的上下文中使用，并且不对网络最终使用什么预编码器矩阵进行下行链路传输到报告设备施加任何限制。网络可以使用它想要的任何预编码器，并且网络选择的预编码器不必是任何定义的码本的一部分。在许多情况下，网络使用报告的 PMI 指示的预编码器显然是有意义的。然而，在其他情况下，网络可能有额外的输入支持不同的预编码器。例如，多天线预编码可用于实现使用相同时间/频率资源向多个设备同时进行下行链路传输，即所谓的多用户 MIMO (MU-MIMO)。基于多天线预编码的MU-MIMO的基本原理是选择既能将能量集中到目标设备又能限制对其他同时调度的设备的干扰的预编码矩阵。在这种情况下，选择用于传输到特定设备的预编码不应仅考虑该设备报告的PMI（其仅反映该设备所经历的信道）。相反，在一般情况下，选择用于传输到特定设备的预编码应该考虑所有同时调度的设备报告的 PMI。与传输到单个设备的情况下的预编码相比，要在 MU-MIMO 场景中得出合适的预编码通常还需要对每个设备所经历的信道有更详细的了解。

为此，NR 定义了两种类型的 CSI，它们在预编码器码本的结构和大小上有所不同，即 I 类 CSI 和 Type II CSI。

I 类CSI 主要针对在给定时间/频率资源（无MU-MIMO）内调度单个用户的场景，可能并行传输相对大量的层（高阶空间复用）；
II 类CSI 主要针对MU-MIMO 场景，其中多个设备在同一时间/频率资源内同时调度，但每个调度设备的空间层数有限（最多两层）。

I 类 CSI 的码本相对简单，主要目的是将传输的能量集中在目标接收器上。假定主要通过利用多个接收天线的接收器处理来处理潜在大量平行层之间的干扰。 II 类 CSI 的码本更为广泛，允许 PMI 提供具有更高空间粒度的信道信息。更广泛的信道信息允许网络选择下行链路预编码器，该预编码器不仅将传输的能量集中在目标设备上，而且限制对在同一时间/频率资源上并行调度的其他设备的干扰。 PMI 反馈的更高空间粒度是以显着更高的信令开销为代价的。 I 类 CSI 的 PMI 报告最多包含几十位，而 II 类 CSI 的 PMI 报告可能包含数百位。因此，II 类 CSI 主要适用于可以降低反馈周期的低机动性场景。下面我们将概述不同类型的 CSI。更详细的描述，例如，参见[64]。

11.2.1　类型I CSI

Type I CSI有两种子类型，简称Type I single-panel CSI和Type I multi-panel CSI，分别对应不同的码本。顾名思义，密码本的设计假设网络/发射机端的天线配置不同。请注意，在设计码本时假设特定天线配置并不意味着码本不能用于基于不同天线配置的部署。当设备基于下行链路测量从码本中选择预编码器矩阵时，它不会对网络侧的天线配置做出任何假设，而是简单地选择它认为是码本中最合适的预编码器，给定估计的信道状况。

11.2.1.1 单面板 CSI

顾名思义，I 型单面板 CSI 的码本是在假设具有 N1 3 N2 交叉极化天线元件的单个天线面板的情况下设计的。图 11.8 举例说明了 (N1, N2) 5 (4, 2) 的情况，即 16 端口天线。
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通常，类型 I 单面板的码本中的预编码器矩阵 W CSI 可以表示为两个矩阵 W1 和 W2 的乘积，其中有关所选 W1 和 W2 的信息分别报告为总体 PMI 的不同部分。假定矩阵 W1 捕获信道的长期频率无关特性。因此，为整个报告带宽（宽带反馈）选择并报告单个 W1。相反，假设矩阵 W2 捕获信道的更多短期和潜在频率相关特性。因此可以在子带基础上选择和报告矩阵，其中子带覆盖总报告带宽的一部分。或者，设备可能根本不报告 W2，在这种情况下，设备在随后选择 CQI 时，应该假定网络在每个 PRG（物理资源块组，参见第 9.8 节）的基础上随机选择 W2。请注意，这并不对网络侧实际应用的预编码施加任何限制，而只是关于设备在选择 CQI 时所做的假设。在高层次上，矩阵 W1 可以被视为定义一个波束，或者在某些情况下定义一组相邻波束，指向特定方向。更具体地说，矩阵 W1 可以写为 W1 5 B 0 0 B，其中矩阵 B 的每一列定义一个光束，2 3 2 块结构是由于两个偏振。请注意，由于假设矩阵 W1 仅捕获长期的频率无关信道特性，因此可以假设相同的波束方向适合两个偏振方向。因此，选择矩阵 W1 或等效地 B 可以看作是从码本内的整组 W1 矩阵定义的大量可能波束方向中选择特定波束方向。 4 在秩 1 或秩 2 传输的情况下，单个光束或四个相邻光束由矩阵 W1 定义。在四个相邻波束的情况下，对应于 B 中的四列，矩阵 W2 然后选择要用于传输的确切波束。由于可以在子带基础上报告 W2，因此可以微调每个子带的波束方向。此外，W2 提供两个极化之间的同相。在 W1 仅定义单个光束的情况下，对应于 B 是单列矩阵，矩阵 W2 仅提供两个偏振之间的同相。对于大于2的传输秩R，矩阵W1定义N个正交波束，其中N 5 R=2。然后，N 个光束连同每个光束中的两个偏振方向一起用于 R 层的传输，其中矩阵 W2 仅提供两个偏振之间的同相。最多可以将八层传输到同一设备。

11.2.1.2 多面板 CSI

与单面板 CSI 相比，I 类多面板 CSI 的码本是在假设网络侧联合使用多个天线面板的情况下设计的，并考虑到可能难以确保来自不同面板的传输之间的一致性。更具体地，多面板码本的设计假定具有两个或四个二维面板的天线配置，每个二维面板具有N1 3 N2个交叉极化天线元件。这种多面板天线配置的示例如图 11.9 所示，用于四个天线面板和 ð Þ N1 的情况； N2 5 ð 4; 1Þ，即32口天线。类型 1 多面板 CSI 的基本原理与类型 1 单面板 CSI 的基本原理相同，除了矩阵 W1 定义每个偏振和面板一个光束。然后矩阵 W2 提供偏振和面板之间的每个子带同相。 I 型多面板 CSI 支持最多四层的空间复用。
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11.2.2　类型II CSI

如前所述，与类型 I CSI 相比，类型 II CSI 提供的信道信息具有明显更高的空间粒度。类似于 I 类 CSI，II 类 CSI 基于宽带选择和来自大量波束的波束报告。然而，虽然类型 I CSI 最终选择并报告单个波束，但类型 II CSI 可以选择并报告多达四个正交波束。对于每个选定的光束和两个偏振中的每一个，报告的 PMI 然后提供振幅值（部分宽带和部分子带）和相位值（子带）。最后，这提供了一个更详细的通道模型，捕获主要光线及其各自的振幅和相位。在网络侧，从多个设备传送的 PMI 然后可用于识别一组设备，可以在一组时间/频率资源 (MU-MIMO) 上同时向这些设备进行传输，以及每次传输使用哪个预编码器。由于 II 类 CSI 的目标是 MU-MIMO 场景，因此每个设备的传输限制为最多两层。

11.3　上行多天线预编码

NR 支持最多四层的上行链路 (PUSCH) 多天线预编码。但是，如前所述，在基于 DFT 的变换预编码（见第 9 章）的情况下，仅支持单层传输。该设备可以配置为两种不同的 PUSCH 多天线预编码模式，分别称为基于码本的传输和基于非码本的传输。这两种传输模式之间的选择至少部分取决于在上行链路/下行链路信道互易性方面可以假设什么，也就是说，在多大程度上可以假设详细的上行链路信道条件可以由设备基于下行链路测量。与下行链路一样，任何上行链路（PUSCH）多天线预编码也被假定应用于用于 PUSCH 相干解调的 DMRS。类似于下行链路传输方向，上行链路预编码因此对接收器是透明的，因为接收器侧解调可以在不知道发射器（设备）侧应用的确切预编码的情况下执行。请注意，这并不一定意味着设备可以自由选择 PUSCH 预编码器。在基于码本的预编码的情况下，调度授权包括关于预编码器的信息，类似于为网络提供用于下行链路多天线预编码的PMI的设备。然而，与网络可能会或可能不会使用 PMI 指示的预编码器矩阵的下行链路相反，在上行链路方向上，假设设备使用网络提供的预编码器。正如我们将在第 11.3.2 节中看到的，在非基于码本的传输情况下，网络也会对上行链路预编码器的最终选择产生影响。可能对上行链路多天线传输施加约束的另一个方面是人们可以在多大程度上假设不同设备天线之间的相干性，即在多大程度上可以很好地控制在两个天线上传输的信号之间的相对相位。在一般多天线预编码的情况下需要相干性，其中特定于天线端口的权重因子（包括特定相移）被应用于在不同天线端口上传输的信号。如果天线端口之间没有相干性，使用这种特定于天线端口的权重因子显然是没有意义的，因为每个天线端口无论如何都会引入或多或少随机的相对相位。 NR 规范允许针对这种天线端口间相干性的不同设备能力，分别称为完全相干性、部分相干性和非相干性。在完全相干的情况下，可以假设设备可以控制最多四个端口中任何一个之间的相对相位，这些端口将用于传输。在部分相干的情况下，设备能够实现成对相干，即设备可以控制端口对内的相对相位。但是，不能保证对之间的相干性，即可控相位。最后，在没有一致性的情况下，无法保证任何一对设备天线端口之间的一致性。

11.3.1　基于码本的传输

基于码本传输的基本原理是网络决定上行链路传输秩，即要传输的层数，以及用于传输的相应预编码器矩阵。作为上行链路调度授权的一部分，网络将选择的传输秩和预编码器矩阵通知给设备。在设备端，预编码器矩阵然后应用于调度的 PUSCH 传输，将指示的层数映射到天线端口。为了选择合适的秩和对应的预编码器矩阵，网络需要估计设备天线端口和对应的网络接收天线之间的信道。为实现这一点，配置用于基于码本的 PUSCH 的设备通常将配置用于传输至少一个多端口 SRS。基于对配置的 SRS 的测量，网络可以探测信道并确定合适的秩和预编码器矩阵。网络无法选择任意预编码器。相反，对于给定的天线端口数量 NT（NT 5 2 或 NT 5 4）和传输秩 NL（NL # NT）的组合，网络从一组有限的可用预编码器（“上行链路码本”）中选择预编码器矩阵 ).
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例如，图 11.10 说明了可用的预编码器矩阵，即两个天线端口情况下的码本。选择预编码器矩阵时，网络需要考虑设备在天线端口相干性方面的能力（见上文）。对于不支持一致性的设备，因此在单秩传输的情况下只能使用前两个预编码器矩阵。可以注意到，将码本选择限制为这两个矩阵等同于选择第一或第二天线端口用于传输。在这种天线选择的情况下，不需要良好控制的相位，即天线端口之间的相干性。另一方面，剩余的预编码器向量意味着不同天线端口上的信号的线性组合，这需要天线端口之间的相干性。在 rank-2 传输 (NL 5 2) 的情况下，只有第一个矩阵不暗示天线端口之间的任何耦合，可以为不支持相干性的设备选择。为了进一步说明无、部分和完全相干的影响，图 11.11 说明了四个天线端口情况下的全套秩 1 预编码器矩阵。
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同样，对应于无相干性的矩阵仅限于天线端口选择。对应于部分相干性的扩展矩阵集允许在天线端口对内进行线性组合，并在天线端口对之间进行选择。最后，完全相干允许在所有四个天线端口上进行线性组合。上述用于 PUSCH 的基于 NR 码本的传输与用于 LTE 的对应的基于码本的传输本质上相同，只是 NR 支持稍微更广泛的码本。与 LTE 相比，基于 NR 码本的 PUSCH 传输的另一个更基本的扩展是设备可以配置为传输多个多端口 SRS。5 在这种多 SRS 传输的情况下，网络反馈扩展了一个 -bit SRS 资源指示符 (SRI)，指示已配置的 SRS 之一。然后，设备应使用调度授权中提供的预编码器，并将预编码的输出映射到与 SRI 中指示的 SRS 相对应的天线端口。就第 8 章中讨论的空间滤波器 F 而言，不同的 SRS 通常会使用不同的空间滤波器进行传输。然后，设备应使用与用于 SRI 指示的 SRS 的空间滤波器相同的空间滤波器来传输预编码器信号。将多个 SRS 用于基于码本的 PUSCH 传输可视化的一种方法是假设设备在单独的、相对较大的波束中传输多端口 SRS（见图 11.12）。例如，这些波束可以对应于具有不同方向的不同设备天线面板，其中每个面板包括一组天线元件，对应于每个多端口SRS的天线端口。然后，从网络接收到的 SRI 确定要使用哪个波束进行传输，而预编码器信息（层数和预编码器）确定如何在所选波束内完成传输。例如，在全秩传输的情况下，设备将在与网络选择的 SRS 相对应的波束内进行全秩传输，并通过 SRI 发送信号（图 11.12 的上部）。在另一个极端，在单秩传输的情况下，预编码实际上会在 SRI 指示的较宽波束内创建额外的波束形成（图 11.12 的下部）。当上行链路/下行链路互易性不成立时，即当需要上行链路测量以确定合适的上行链路预编码时，通常使用基于码本的预编码。

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11.3.2　基于非码本的预编码

与基于网络测量和上行链路预编码器选择的基于码本的预编码相比，非基于码本的预编码基于设备测量和预编码器对网络的指示。上行链路非基于码本的预编码的基本原理如图11.13所示，下面进一步解释。基于下行链路测量，在配置的 CSI-RS 上的实际测量中，设备选择它认为合适的上行链路多层预编码器。因此，基于非码本的预编码基于信道互易性的假设，即设备可以基于下行链路测量获得上行链路信道的详细信息。请注意，预编码器的设备选择没有限制，因此术语“基于非码本”。预编码器矩阵 W 的每一列都可以看作是为相应层定义数字“波束”。因此，NL层预编码器的设备选择可以看作是NL个不同波束方向的选择，其中每个波束对应一个可能的层。原则上，PUSCH 传输可以直接作为基于设备选择的预编码的 NL 层传输来完成。然而，从网络的角度来看，基于下行链路测量的预编码器设备选择可能不一定是最好的预编码器。因此，NR 非基于码本的预编码包括一个附加步骤，其中网络可以修改设备选择的预编码器，实际上从所选预编码器中删除一些“波束”或等效的一些列。为了实现这一点，设备将选定的预编码器应用于一组已配置的 SRS，每个层或“波束”上传输一个 SRS 由预编码器定义（图 11.13 中的步骤 2）。
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基于对接收到的 SRS 的测量，网络可以决定为每个调度的 PUSCH 传输修改设备选择的预编码器。这是通过在调度授权（步骤 3）中包含的 SRS 资源指示符 (SRI) 中指示已配置 SRS 的子集来完成的。6 然后，设备使用简化的预编码器矩阵执行调度的 PUSCH 传输（步骤 4），其中仅包含与 SRI 中指示的 SRS 相对应的列。请注意，SRI 然后还隐含地定义了要传输的层数。应该注意的是，预编码器选择的设备指示（图 11.13 中的步骤 2）不是针对每个调度传输完成的。指示设备预编码器选择的上行链路 SRS 传输可以周期性地（周期性或半持久性 SRS）或按需（非周期性 SRS）发生。相反，预编码器的网络指示，即实际上是设备预编码器的波束子集的网络指示，然后针对每个调度的PUSCH传输完成。