淺談下一代無線通信技術(shù)：大規(guī)模MIMO技術(shù)

侯艾冰

摘 要：當(dāng)今，不管對(duì)于固定或移動(dòng)用戶，對(duì)無線通信業(yè)務(wù)吞吐量的需求將會(huì)不斷增大，提高第四代無線通信頻譜效率的呼聲越來越大。大規(guī)模MIMO（Multiple Input-Multiple output，MIMO）技術(shù)是一個(gè)能夠滿足這種需求有希望潛在的技術(shù)，本文強(qiáng)調(diào)了大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)，認(rèn)為它能比第四代（4G）無線通信明顯提高頻譜效率，最后給出了當(dāng)前其相關(guān)研究難題與未來研究方向。

關(guān)鍵詞：無線通信 大規(guī)模MIMO 4G

1.概述

未來5年或10年，我們能夠預(yù)期得到的就是在一座城市中數(shù)百萬增擴(kuò)的用戶將不斷傳送或者接收視頻，或者說每個(gè)用戶各自通信速率為100/s/bit，提高無線通信系統(tǒng)的信道容量成為了當(dāng)務(wù)之急。

M I M O（M u lti ple I n p u tMultiple output）即多輸入多輸出技術(shù)，M I M O技術(shù)越來越成熟，并納入LTE等新興無線寬帶標(biāo)準(zhǔn)，它擴(kuò)展了一維智能天線技術(shù)，具有極高的頻譜利用率，能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統(tǒng)的容量，且信道可靠性大為增強(qiáng)，是新一代無線通信系統(tǒng)4 G采用的核心技術(shù)之一。

但是面對(duì)呈指數(shù)上升的無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)并不能滿足當(dāng)今的大容量高速率要求?；旧?，如果在發(fā)送端或接收端配備更多的天線，傳播信道就可以提供更多的自由度，更好的數(shù)據(jù)速率或鏈路可靠性方面的性能就可得到。

基于通過增加天線的數(shù)量，能夠進(jìn)一步獲得更多的增益，簡(jiǎn)化所需的信號(hào)處理，從而進(jìn)一步提高通信系統(tǒng)性能的思想，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的T h o m a s L. Marzetta就提出大規(guī)模M I M O技術(shù)的概念。它的研究結(jié)果表明在現(xiàn)實(shí)傳播環(huán)境下，基于匹配濾波器的非協(xié)作大規(guī)模M I M O系統(tǒng)，對(duì)于2 0 M H Z的信道，每個(gè)小區(qū)有4 0個(gè)用戶，上行和下行鏈路可達(dá)到的速率為17Mb/s，每個(gè)小區(qū)平均的吞吐量能達(dá)到730Mb/s，總體頻譜效率為26.5bps/HZ。

2.大規(guī)模MIMO技術(shù)的概念與模型

大規(guī)模M I M O是指在基站天線數(shù)目龐大，所使用天線陣列的數(shù)量比當(dāng)今無線通信系統(tǒng)建造的數(shù)量多幾個(gè)級(jí)別，或一百根天線或者更多。大規(guī)模M I M O通信系統(tǒng)可以同時(shí)服務(wù)數(shù)量眾多的用戶終端，而在用戶終端配置天線的數(shù)量還是單根，只需要對(duì)現(xiàn)有通信系統(tǒng)基站天線數(shù)量的調(diào)整，從而提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

大規(guī)模M IM O是一項(xiàng)新興的技術(shù)，和現(xiàn)在相比向上擴(kuò)展了M I M O容量的數(shù)量級(jí)。在大規(guī)模的MIM O系統(tǒng)中，利用天線陣列，幾百根天線在同一時(shí)域頻域內(nèi)同時(shí)服務(wù)于數(shù)十個(gè)終端。因此它是一個(gè)促成未來數(shù)字社會(huì)的基礎(chǔ)設(shè)施，將連接人們的互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云及其他網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施?？梢栽O(shè)想許多不同配置和部署方案用于實(shí)際使用的一個(gè)巨大的MIMO系統(tǒng)天線陣列模型，如圖1。

3.大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）大規(guī)模MIMO技術(shù)可以空前提高幾個(gè)級(jí)別的頻譜和能量效率，通過直接增加基站的天線數(shù)就可使系統(tǒng)容量增加，可以增加容量10倍或更多，同時(shí)，提高100倍的輻射能量效率。

（2）一個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有大量盈余的自由度，可提供用于消除故意干擾信號(hào)的自由度。例如，用200天線，服務(wù)20終端，未使用180度自由度。這些自由度可用于硬件同行信號(hào)整形。

（3）大規(guī)模MIMO技術(shù)通過在基站配置數(shù)十或數(shù)百根數(shù)（或者數(shù)千根）低功率的小天線，去服務(wù)多個(gè)單天線終端，基站天線的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于服務(wù)終端的數(shù)量，通過數(shù)量眾多的天線來將干擾和噪聲平均去掉。

（4）大規(guī)模M I M O可以用廉價(jià)、低功耗的組件來構(gòu)建。隨著大規(guī)模MIM O出現(xiàn)，傳統(tǒng)系統(tǒng)所使用超線性的價(jià)格昂貴50瓦放大器將被數(shù)以百計(jì)輸出功率在毫瓦特范圍內(nèi)的低成本放大器所取代。

4.大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究難題與研究方向

4.1大規(guī)模MIMO技術(shù)的研究難題

為了能使大規(guī)模M I M O技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際，還有很多問題需要研究和解決。下面給出了這些難題。

（1）傳播模型。當(dāng)前的研究都是在假設(shè)大規(guī)模MIMO技術(shù)依賴可靠良好的傳播環(huán)境下，即不同用戶可用的矢量信道應(yīng)隨著不斷增長(zhǎng)的天線數(shù)量而漸進(jìn)正交，但需要更多的實(shí)驗(yàn)支持這種假設(shè)。

（2）導(dǎo)頻污染成了制約整個(gè)大規(guī)模MIMO技術(shù)系統(tǒng)性能的瓶頸。在一個(gè)大規(guī)模M I M O技術(shù)系統(tǒng)中理想的情況是每個(gè)終端分配一個(gè)上行正交導(dǎo)頻序列。然而，可以存在正交導(dǎo)頻序列的最大數(shù)目是有上界的，由于信道延遲擴(kuò)頻劃分的相干間隔持續(xù)時(shí)間的限制。在多蜂窩系統(tǒng)中很容易用盡正交導(dǎo)頻序列。從一個(gè)小區(qū)到另一個(gè)小區(qū)重復(fù)使用導(dǎo)頻，帶來相關(guān)負(fù)面后果的影響，被稱為“導(dǎo)頻污染”，會(huì)引起小區(qū)間的干擾，減弱系統(tǒng)性能。

（3）低功率眾多硬件的挑戰(zhàn)。在理想情況下，在包含所有電子元器件、信號(hào)處理器與小功率放大器的廉價(jià)模塊內(nèi)建造上百個(gè)射頻鏈路、上/下變頻器等，這就意味著需要一種全新的設(shè)計(jì)理念。

4.2大規(guī)模M I M O技術(shù)未來的研究方向

在無線通信網(wǎng)絡(luò)中使用大規(guī)模MIMO技術(shù)可以巨大提高系統(tǒng)的容量和頻譜效率，這種技術(shù)也非常適合應(yīng)用在包括異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和毫米波通信和其他很多方面。

（1）異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。為了提供更密集的覆蓋范圍和高吞吐量，需要靈活部署低成本的小蜂窩網(wǎng)絡(luò)。把大規(guī)模M I M O技術(shù)融入于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，能帶來改進(jìn)的干擾控制和能量效率，是未來的一個(gè)研究方向。

（2）毫米波。另外一種能在容量和頻譜效率得以巨大提升的技術(shù)是通過在毫米波進(jìn)行通信或者在能更廣泛使用的頻譜與帶寬的30兆赫以上。毫米波技術(shù)也和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一樣能把大規(guī)模MIMO技術(shù)應(yīng)用其中。

5.結(jié)語

在本文中我們強(qiáng)調(diào)了大規(guī)模 M I M O技術(shù)作為未來超越第四代蜂窩通信系統(tǒng)的潛能，它允許在基站和移動(dòng)終端上使用低成本硬件的特點(diǎn)，該技術(shù)在能源效率、頻譜效率、可靠性方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，為了使大規(guī)模MIMO技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，還需要對(duì)一些重要問題進(jìn)行研究解決，比如：信道相關(guān)性、硬件應(yīng)用、小區(qū)間干擾處理等?？傮w而言，大規(guī)模MIMO技術(shù)將是下一代無線通信系統(tǒng)發(fā)展的推動(dòng)技術(shù)之一，將能更高效、節(jié)能、安全地使用頻譜。

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