大規(guī)模MIMO通信發(fā)展中存在的難點及解決方案

周昭華

【摘要】 文章闡述了大規(guī)模MIMO無線通信的特征，在此基礎上，針對大規(guī)模MIMO通信發(fā)展的特點進行了簡要地總結與分析，并提出了大規(guī)模 MIMO技術發(fā)展中難點的解決方案，以供讀者參考。

【關鍵詞】 大規(guī)模MIMO 第五代移動通信 頻譜效率 問題 解決方案

過去，多輸入多輸出 （MIMO） 技術在通信網(wǎng)絡中得到了廣泛應用，它具有無線通信系統(tǒng)的頻譜利用率高、降低額外的帶寬能耗。近年來，隨著移動新業(yè)務需求量的不斷增大，大大提升了移動通信傳輸速率需求，用戶在使用系統(tǒng)服務中將會產(chǎn)生一些干擾，對系統(tǒng)可靠性影響較大，加上數(shù)據(jù)速率過高，其功率消耗就越大，因此存在需求上的矛盾，難以滿足人們的使用需求。因此，本文通過自身的工作實踐，論述了大規(guī)模MIMO通信發(fā)展中存在的難點及解決方案。

一、大規(guī)模MIMO無線通信的特征

在無線通信基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)，大規(guī)模MIMO可以配置10根以上的天線，相對于4G系統(tǒng)（可以配置4根或8根）來說，增加了天線的數(shù)量，高達兩級以上，這些天線采用大規(guī)模集中放置的模式，應用于覆蓋區(qū)域的用戶，且在同一時頻資源上，充分發(fā)揮基站空間自由度，與基站通信時，大大地提高了頻譜效率，以防止小區(qū)干擾的能力。利用基站大規(guī)模天線配置的分集或陣列增益，能夠提高基站和用戶之間的功率。

二、大規(guī)模MIMO通信發(fā)展的特點分析

2.1 隨機變化的特性

在傳統(tǒng)MIMO中，由于天線數(shù)較少，發(fā)送端和接收端形成的信道都具備各自的個體性和獨特性，相互之間關聯(lián)性較小。然而，當天線數(shù)增加到無窮時，原本屬于隨機的信道矩陣，此時各元素間將存在一定的確定性，這樣矩陣可以通過某些方式進行分解，實現(xiàn)整體運算復雜度的降低。此外，天線陣列的孔徑越大，其精確度也將變得越高。

2.2 降低用戶間干擾

隨著基站側天線數(shù)量的增加，用戶間信道趨于正交，而當基站天線數(shù)趨于無窮時，通常嚴重影響通信系統(tǒng)性能的熱噪聲和不相干的小區(qū)間干擾可以忽略不計。無需采用協(xié)調(diào)不同基站進行合作傳輸?shù)姆椒p小干擾，而是通過數(shù)量眾多的天線來增加有用信號的功率，從而增加信干比，減小干擾的影響。

2.3 降低用戶上行發(fā)射功率

大規(guī)模多天線系統(tǒng)還可以將用戶上行數(shù)據(jù)傳輸所需的能量降低。前人指出，在保持同樣數(shù)據(jù)吞吐率的情況下，基站天線數(shù)M的增加與用戶上行數(shù)據(jù)傳輸平均功率的降低成正比。

2.4 系統(tǒng)性能受到導頻污染的限制

導頻污染作為一個常見的現(xiàn)象并不是MassiveMIMO系統(tǒng)所特有的，但是它的影響卻是比在原來的MIMO系統(tǒng)中更為深刻。系統(tǒng)性能將唯一受限于相鄰小區(qū)間重復使用相同的導頻序列所帶來的導頻污染。為減小導頻污染，有研究者提出了移位導頻序列的方法。在不同小區(qū)之間雖然使用相同的導頻序列，但是相鄰小區(qū)之間的導頻序列在幀中所處的位置避免相互重疊。這樣即使所有用戶同時進行上行鏈路傳輸也不會發(fā)生因導頻復用而引起的導頻污染。

三、大規(guī)模 MIMO技術發(fā)展中難點的解決方案

3.1 導頻污染問題的解決方案

為降低導頻污染對系統(tǒng)性能造成的不利影響，應采取以下的解決方案：

（1）使用優(yōu)化的導頻分配方案。例如，預先將多個小區(qū)分組，某些分組的UE向基站發(fā)送導頻時，其余分組的UE接收數(shù)據(jù)，避免所有小區(qū)的UE同時向基站發(fā)送導頻，這種方法在無需多小區(qū)合作的情況下能有效減少導頻污染所造成的小區(qū)間干擾。例如，利用信道的二階統(tǒng)計信息進行多小區(qū)協(xié)作 Bayesian信道估計，可自適應地為 UE 分配導頻序列并充分協(xié)調(diào)導頻的用量，減輕導頻污染。

（2）使用高效的信道估計方法。由于導頻污染的根源在于使用導頻輔助信道估計，因此，一種可行的方案是使用盲信道估計，不再使用導頻從而避免導頻污染。另外，考慮到無線信道自然的稀疏性，可利用壓縮感知技術，進行稀疏信道估計和導頻設計，降低導頻開銷，減輕導頻污染。

3.2 大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)的信道模型

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站配置有大量天線，MIMO傳輸?shù)目臻g分辨率顯著提高，無線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統(tǒng)地探討適用于大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)的信道模型。在給定的信道模型和發(fā)射功率約束下，精確地表征該信道所能支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對信道容量的影響，可為傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設計、頻譜效率及能量效率等性能評估提供重要的依據(jù)。

現(xiàn)有工作往往假設大規(guī)模 MIMO信道是獨立同分布（Independennt and iedntically distributed，IID）信道。然而部分實測結果表明，實際的大規(guī)模 MIMO無線傳輸信道并不能滿足IID假設，信道能量往往集中在有限的空間方向上，這使得基于IID信道的相關分析結果存在著較大的局限性，一定程度上制約了大規(guī)模 MIMO無線通信理論方法的深入研究工作。

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中基站配置有大量的天線，天線密度過高、挨得太近容易使傳輸信道呈現(xiàn)相關性，降低信道容量，例如，為保證信道不相關，天線之間的距離至少需要保持在四分之一波長以上，頻段越高，波長越小，相同的空間可布局的天線數(shù)目更多；另一方面，現(xiàn)有頻段的頻譜資源十分緊缺，可以考慮使用毫米波頻段甚至更高頻段，而不同的頻段具有不同的無線傳播特性，相應的信道模型也不盡相同。因此，在不同的頻段、不同的天線及布局條件下，大規(guī)模MIMO無線信道的理論建模和實測建模工作亟需深入開展。

3.3 低復雜度的傳輸技術的實現(xiàn)方法

大規(guī)模MIMO 系統(tǒng)中基站配置有大量的天線，相比于現(xiàn)有的MIMO系統(tǒng)，將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，從而對射頻和基帶處理算法提出更高的要求。在此情況下，處理方法越簡單，則實現(xiàn)復雜度越低，而簡單意味著使用線性或者近似線性的處理方法，盡可能避免使用非線性的方法。

大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)需要使用大量的射頻單元，為了減輕功率放大器的負擔，要求調(diào)制信號具有較低的峰均比（PAPR），并使用恒包絡或者近似恒包絡的調(diào)制方式。同時，有必要充分考慮單載波方案在大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)各種傳輸場景下的可行性。

考慮到大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)中上行鏈路的信號檢測和下行鏈路的波束成型涉及高維矩陣求逆運算，系統(tǒng)實現(xiàn)復雜度高，因此，需要思考現(xiàn)有 MIMO 系統(tǒng)的多用戶無線傳輸理論與方法的適用性。研究適于大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)的資源分配、用戶調(diào)度、信號檢測、波束成形、分集傳輸、空時編碼、多小區(qū)協(xié)作機制及其低復雜度實現(xiàn)方法。

另外，TDD大規(guī)模MIMO系統(tǒng)充分利用了上行信道和下行信道的互易性，然而在實際硬件系統(tǒng)中，并不能達到完全互易。為了保證大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的高波束分辨率與高信道增益，需要高精度的信道校準方法使基站側收發(fā)通道達到很好的一致性，保證波束成型的準確性。基站天線陣列在波束成型或導向矢量作用下，在空間維度合成很窄的波束，精確指向待接收的UE，可以增強其接收性能，提高接收信號功率，減少UE之間和小區(qū)間的干擾。

四、 結語

綜上所述，本文分析了大規(guī)模MIMO通信發(fā)展的特點，應就大規(guī)模 MIMO 系統(tǒng)導頻污染問題、大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)的信道模型和低復雜度的傳輸方法進行了詳細地分析。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)由于具有大幅度提升頻譜利用率、能量利用率的特點，因此成為5G無線通信領域最具潛力的研究方向之一。相信在不久的未來，大規(guī)模 MIMO系統(tǒng)在通信行業(yè)中將會得到了更加廣泛的應用。

參 考 文 獻

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[2]王海榮.大規(guī)模MIMO多小區(qū)TDD系統(tǒng)中的導頻污染減輕方法[J].信號處理，2013，29（2）：171-180