淺析發(fā)展5G通信中的大規(guī)模MIMO技術(shù)

李佩航+王芳

摘要：隨著4G在日常生活中的普及，5G的概念慢慢出現(xiàn)在人們視野，作為下一代蜂窩數(shù)據(jù)通信，5G將會擁有更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)吞吐量和更高的能量效率，讓用戶體驗(yàn)到更快的上網(wǎng)體驗(yàn)。大規(guī)模MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)。本文首先介紹MIMO的概念和發(fā)展歷程，隨后分析MIMO技術(shù)，最后討論MIMO對發(fā)展5G的重要性。

關(guān)鍵詞：5G；MIMO；信道估計(jì)；天線技術(shù)；多用戶傳輸技術(shù)

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0036-02

1 引言

移動通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了2G、3G、4G的發(fā)展，但是隨著移動數(shù)據(jù)量和接入設(shè)備數(shù)的激增，這些技術(shù)可能無法滿足一些人群的需求，因此，無論是國內(nèi)還是國外都紛紛把目光集中在發(fā)展5G技術(shù)上。在發(fā)展5G技術(shù)的過程中，出現(xiàn)了一些重要技術(shù)，大規(guī)模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術(shù)就是其中之一[6]。大規(guī)模MIMO技術(shù)[6]作為21世紀(jì)最引人注目無線通信技術(shù)之一通過增加基站天線數(shù)大幅度提高系統(tǒng)頻譜效率和能量效率，是5G發(fā)展過程中不可或缺的一環(huán)。

2 MIMO的概念和發(fā)展歷程

2.1 MIMO的概念

MIMO是一種以通信系統(tǒng)可以利用天線獨(dú)立收發(fā)信號為基礎(chǔ)的抽象數(shù)學(xué)模型。該技術(shù)于1908年問世，利用多天線傳輸來抑制信道衰落，顯著提高能量效率和降低誤碼率[6]。不同于最原始的SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)MIMO系統(tǒng)根據(jù)收發(fā)端天線數(shù)目的不同可分為以下兩類，SIMO（Single-Input Multiple-Output）系統(tǒng)和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統(tǒng)[7]。

2.2 MIMO的發(fā)展歷程

MIMO系統(tǒng)在發(fā)展過程中經(jīng)過研究人員的努力不斷完善，從無到有，從簡單到復(fù)雜，從低效到高效。在設(shè)備容量和利用效率等方面都體現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。MIMO技術(shù)的發(fā)展歷程主要分為單用戶MIMO技術(shù)、多用戶MIMO技術(shù)和大規(guī)模MIMO技術(shù)三個階段[5]。

2.2.1 單用戶MIMO技術(shù)

單用戶MIMO技術(shù)是一種點(diǎn)對點(diǎn)通信，在發(fā)送端和接收端用戶利用多條天線通信，但存在用戶互相干擾的問題，因?yàn)槿舭l(fā)送端和接收端的多條天線之間互不相關(guān)，那么相鄰之間的天線的距離就要大于載波波長。實(shí)際上由于設(shè)備物理尺寸的限制，實(shí)現(xiàn)天線之間互不干擾比較困難。這極大地限制了用戶實(shí)際增益，因此人們開始發(fā)展多用戶MIMO技術(shù)。

2.2.2 多用戶MIMO技術(shù)

多用戶MIMO技術(shù)就是相較于單用戶MIMO技術(shù)是增加了中間連接點(diǎn)，就是基站。一個基站同時(shí)服務(wù)多個移動終端，而基站之間利用天線和多個用戶進(jìn)行通信。在消除干擾方面多用戶MIMO技術(shù)有明顯的區(qū)域區(qū)分，消除小區(qū)區(qū)域內(nèi)的干擾可以通過時(shí)分、頻分、碼分的方法，但消除各小區(qū)之間的干擾則要用更復(fù)雜的技術(shù)，因此限制了頻率效率和功率效率的進(jìn)一步提高，這加速了大規(guī)模MIMO的出現(xiàn)。

2.2.3 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO技術(shù)最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室于2010年提出。大規(guī)模 MIMO 無線通信在基站的有效區(qū)域內(nèi)配備數(shù)百十根以上天線，相較 4G 無線通信系統(tǒng)中的 4（或 8）根天線數(shù)成倍增加，這些天線以大規(guī)模陣列的形式集中放置[3]。大規(guī)模MIMO技術(shù)通過增加基站天線數(shù)在多小區(qū)中對多個單天線用戶進(jìn)行傳輸，充分利用無線資源，顯著提高頻譜效率，是現(xiàn)在發(fā)展移動無線通信的重要技術(shù)。

3 大規(guī)模MIMO技術(shù)的技術(shù)分析

在大規(guī)模MIMO技術(shù)中，存在一些主要技術(shù)包括信道估計(jì)，信道模型與系統(tǒng)性能分析，天線技術(shù)和多用戶傳輸技術(shù)[2]。

3.1 信道估計(jì)

進(jìn)行相關(guān)檢測、自適應(yīng)傳輸、均衡的前提條件是信道估計(jì)，它是大規(guī)模MIMO技術(shù)的先行條件。在現(xiàn)實(shí)生活中由于噪音的隨機(jī)性和人群的流動性，信道收到的干擾有很大的隨機(jī)性，為了讓大規(guī)模 MIMO 技術(shù)貼近人們的生活；符合實(shí)際的情況；發(fā)揮最大的優(yōu)勢，我們需要對信道進(jìn)行估計(jì)。目前，針對大規(guī)模MIMO技術(shù)比較成熟的、運(yùn)用較廣的的信道估計(jì)技術(shù)包括：基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)、盲信道估計(jì)和基于兩者的半盲信道估計(jì)[1]?；趯?dǎo)頻的線性信道估計(jì)算法的原理是通過將已知導(dǎo)頻信號合理的加入到傳輸信號，引入冗余，對信道進(jìn)行估計(jì)，具有較低的計(jì)算復(fù)雜度而且方便實(shí)現(xiàn)，適用于時(shí)變信道[1]。但是由于估計(jì)需要大量的導(dǎo)頻信號，在傳送過程中不能完全避免導(dǎo)頻污染的影響。而盲信道估計(jì)算法原理則是基于信號數(shù)理特性來實(shí)現(xiàn)信道估計(jì)，沒有用到導(dǎo)頻，對用戶進(jìn)行區(qū)分，可以避免導(dǎo)頻污染的影響。但是這種估算復(fù)雜度高，并不適用于實(shí)際工程。基于兩者的半盲信道估計(jì)則是融合了前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，一定程度上的規(guī)避了缺點(diǎn)。

3.2 信道模型與系統(tǒng)性能分析

進(jìn)一步無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是信道模型與系統(tǒng)性能分析。在大規(guī)模MIMO無線通信中，通過成百十根的天線被裝配在基站側(cè)，傳輸信道的空間分辨率得到進(jìn)一步提高。但需要注意的是，現(xiàn)今對MIMO的研究中經(jīng)常把MIMO信道看做IID（獨(dú)立同分布）信道來研究，這是一種理想狀態(tài)，實(shí)際測量后發(fā)現(xiàn)并不能將信道等同于IID信道，而且大量的信道能量集中在有限的空間范圍內(nèi)，也會對分析結(jié)果造成影響[2]。所以需要大規(guī)模MIMO針對具體的環(huán)境進(jìn)行實(shí)際測量，再進(jìn)行建設(shè)符合實(shí)際情況的模型。

3.3 天線技術(shù)

在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，需要為基站配置幾十條甚至上百條的天線，所以天線的配置顯得尤為重要，配置方式不同系統(tǒng)模型也會不同。一般情況下，天線配置方式可分為兩大類：集中式大規(guī)模天線系統(tǒng)和分布式天線系統(tǒng)[1]。所謂集中式就是所有天線都被集中分配在一個基站上；分布式則是天線分布在多個不同的節(jié)點(diǎn)上。這兩種方式有相同的地方就是通過增加天線的個數(shù)深度挖掘空間中的無線資源使得通信的效率和容量得到顯著改善。當(dāng)天線數(shù)量增大到一定程度，對信號處理操作和計(jì)算復(fù)雜度要求就不會太高，線性編碼和檢測器會以趨于最優(yōu)化的性能進(jìn)行工作。而且波束可以集中在很窄的區(qū)間內(nèi)來降低其它信號的干擾，降低基站的密度，節(jié)約空間資源。endprint

3.4 多用戶傳輸技術(shù)

由于實(shí)際技術(shù)的不完善用戶端和基站側(cè)無法獲取完整的信息瞬時(shí)狀態(tài)，當(dāng)前的 MIMO系統(tǒng)傳輸方案大多是由貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的初步方案[4]。即基站側(cè)通過TDD（Time Division Duplexing）系統(tǒng)、鏈路正交導(dǎo)頻獲得信道參數(shù)估計(jì)值和上下行鏈路互易性[2]。但是這種方法也存在缺陷，把信道估計(jì)值當(dāng)做真實(shí)值進(jìn)行上下行傳輸，無法保證傳輸?shù)聂敯粜?，因?yàn)閱蝹€有用戶僅配備單根天線，頻譜效率會因?yàn)橄到y(tǒng)的用戶過少而降低[2]；除此之外，大規(guī)模MIMO還面臨以下困難：通信系統(tǒng)進(jìn)行信號檢測、預(yù)編碼傳輸、高維矩陣求運(yùn)算的難度高；對FDD（Frequency Division Duplexing）系統(tǒng)有適用性要求，用戶獲得信道信息難[2]。因此大規(guī)模MIMO技術(shù)還是面臨著很嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

4 大規(guī)模MIMO對發(fā)展5G的重要性

在5G無線通信領(lǐng)域中，大規(guī)模MIMO無線通信利用多天線收發(fā)信息使功率利用率、系統(tǒng)頻譜利用率得到顯著提高，為5G達(dá)到更快、更穩(wěn)定的目標(biāo)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)5G無線通信的必不可少的一環(huán)。大規(guī)模MIMO的實(shí)現(xiàn)可以節(jié)約大量的空間資源，提高資源利用率，從而為進(jìn)一步發(fā)展無線通信做好準(zhǔn)備。

5 結(jié)語

伴隨著5G勢不可擋的腳步，大規(guī)模MIMO技術(shù)受到無線通信研究人員的青睞，為新一代的通信系統(tǒng)打開大門。但不可否認(rèn)的是，當(dāng)前的大規(guī)模MIMO技術(shù)還處于起步階段，亟待解決的問題還有很多。部分功能還處于理論階段，需要我們不斷探索這廣闊的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]傅莉.大規(guī)模MIMO技術(shù)及應(yīng)用[J].福建電腦，2017，（03）.

[2]龐雪蓮.5G中大規(guī)模MIMO技術(shù)研究[J].電子世界，2015，（14）.

[3]楊中豪，王瓊，喬寬.面向5G的大規(guī)模MIMO技術(shù)研究進(jìn)展[J].廣東通信技術(shù)，2015，（05）.

[4]尤力，高西奇.大規(guī)模MIMO無線通信關(guān)鍵技術(shù)[J].中興通信技術(shù)，2014，（02）.

[5]邵斌.FD-MIMO系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京郵電大學(xué)，2015.

[6]李艷蘋.正交頻分復(fù)用系統(tǒng)時(shí)頻同步算法的研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2012.

[7]張溫姝.多載波頻偏下分布式空時(shí)編碼系統(tǒng)的符號檢測和容量問題研究[D].2007.

Abstract：With the popularity of 4G in daily life， the concept of 5G gradually appeared in the horizon， as the next generation of cellular data communication， 5G will have more powerful data throughput and higher energy efficiency， allowing users to experience faster Internet experience. Massive MIMO technology is an integral part of the implementation of 5G system. This paper first introduces the concept and development of MIMO， then analyzes the MIMO technology， finally discusses the importance of the development of MIMO 5G.

Key Words：5G； MIMO； channel estimation； antenna technology； multiuser transmission technologyendprint