大規(guī)模MIMO在5G通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

楊亞男

摘 要：大規(guī)模MIMO系統(tǒng)在能源效率、頻譜效率、魯棒性和可靠性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。它允許在基站和移動(dòng)終端使用低成本的硬件，可以使容量增加的同時(shí)提高輻射能量效率，顯著降低在空中接口上延遲。但也存在一些現(xiàn)實(shí)的限制因素，包括信道的互惠性，導(dǎo)頻污染問題以及無線傳輸和信道特性。本文介紹了實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的全部潛力和面臨的挑戰(zhàn)，例如，導(dǎo)頻污染、計(jì)算復(fù)雜度、低成本硬件的問題以及分布式處理算法的實(shí)現(xiàn)問題。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信號(hào)處理方法不需要再采用復(fù)雜的非線性設(shè)計(jì)來避免干擾，而只需要簡(jiǎn)單的線性設(shè)計(jì)即可實(shí)現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。比如在預(yù)編碼方法研究方面：傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)中一般研究非線性預(yù)編碼方案，比如DPC（dirty-paper coding，臟紙），而大規(guī)模MIMO中一般采用線性預(yù)編碼，比如MRT（最大比發(fā)送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方誤差）。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO；導(dǎo)頻污染；信道特性；空中接口 ；部署方案

第一章 緒論

1.1 5G 通信的特性

蜂窩網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展主要受無線用戶設(shè)備的持續(xù)增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)使用量， 以及對(duì)更好的體驗(yàn)質(zhì)量的需求的影響。預(yù)計(jì)到 2020 年底，將有超過 500 億個(gè)連接設(shè)備使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，與 2014年相比，這將導(dǎo)致數(shù)據(jù)流量的巨大增長(zhǎng)。但是，最新的解決方案不足以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)?？偠灾?3D（Device、 Data、 Data 傳輸速率）的增加促進(jìn)了 5G 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，具體來說，蜂窩網(wǎng)絡(luò)的第五代（5G）將突出并解決三個(gè)廣泛的觀點(diǎn)，如：以用戶為中心、以服務(wù)提供商為中心、以網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商為中心

1.2 目前移動(dòng)通信的局限性

4G 網(wǎng)絡(luò)不足以支持具有低延遲和顯著頻譜效率的大規(guī)模連接設(shè)備。

不支持突發(fā)數(shù)據(jù)流量：有些移動(dòng)應(yīng)用程序會(huì)發(fā)送心跳消息到服務(wù)器，有時(shí)會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)請(qǐng)求非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種類型的數(shù)據(jù)傳輸更多地消耗了（移動(dòng)）用戶設(shè)備（UE）的電池壽命，同時(shí)增加網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)數(shù)據(jù)，可能造成核心網(wǎng)絡(luò)崩潰。

基站處理能力的低效利用率：在當(dāng)前的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，基站（BS）的處理能力只能由其關(guān)聯(lián)的 UE 使用，并且它們被設(shè)計(jì)為支持峰值時(shí)間業(yè)務(wù)。然而，當(dāng)輕載時(shí)， BS 的處理能力可以在大的地理區(qū)域上共享，網(wǎng)絡(luò)的總成本增加。

1.3 5G 通信無線傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)

一個(gè)就是多址，多址技術(shù)指的是解決多個(gè)用戶同時(shí)和基站通信的問題，怎么來分享資源的技術(shù)，第一代通信采用的是FDMA技術(shù)，第二代通信采用的是TDMA技術(shù)，第三代通信采用的是CDMA技術(shù)，第四代通信采用的是OFDMA技術(shù)。

另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是多天線，現(xiàn)在比較火的是MIMO技術(shù)，大規(guī)模MIMO技術(shù)不僅能夠在不增加頻譜資源的情況下降低發(fā)射功率、減小小區(qū)內(nèi)以及小區(qū)間干擾，還能實(shí)現(xiàn)頻譜效率和功率效率在4G 的基礎(chǔ)上再提升一個(gè)量級(jí)。此外，射頻調(diào)制解調(diào)技術(shù)也屬于關(guān)鍵技術(shù)。

1.4 大規(guī)模MIMO的簡(jiǎn)介

5G（后4G）時(shí)代，小區(qū)越來越密集，對(duì)容量、耗能和業(yè)務(wù)的需求越來越高，現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多天線技術(shù)（8端口MU-MIMO、CoMP）很難滿足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大規(guī)模天線陣列（比如數(shù)百個(gè)天線或更多）可以帶來很多的性能優(yōu)勢(shì)。這種基站采用大規(guī)模天線陣列的MU-MIMO被稱為大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)（Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO）。

關(guān)于大規(guī)模MIMO，我們考慮使用上百根的天線陣列在同一時(shí)域資源中同時(shí)服務(wù)數(shù)十個(gè)終端設(shè)備。大規(guī)模MIMO的基本前提是獲得傳統(tǒng)MIMO的所有優(yōu)點(diǎn)，但規(guī)模更大?？偟膩碚f，大規(guī)模的MIMO是未來寬帶（固定和移動(dòng)）網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的推動(dòng)力，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)所使用的實(shí)際天線陣列不同的配置和部署方案。

第二章 大規(guī)模MIMO的潛力

2.1增加系統(tǒng)容量和輻射能量效率

大規(guī)模MIMO可以使容量增加10倍以上，同時(shí)提高100倍的輻射能量效率。容量增加是由于大規(guī)模MIMO中采用了空間復(fù)用技術(shù)。能量效率顯著提高是因?yàn)殡S著大量的天線，能量可以聚焦于空間的小區(qū)域。

最大比合并（MRC）與ZF相比，其吸引力不僅在于它的計(jì)算簡(jiǎn)單性（接收信號(hào)的共軛和信道響應(yīng)相乘），而且還可以獨(dú)立地在每個(gè)天線單元上以分布式方式執(zhí)行。

2.2顯著降低在空中接口上延遲

無線通信系統(tǒng)的性能通常受到衰落的限制。衰落使接收信號(hào)強(qiáng)度在某一時(shí)間內(nèi)變得非常小。信號(hào)從基站通過多徑信道到達(dá)終端時(shí)衰落，這些衰落是由多徑信道的干涉引起的。正是這種衰落使得構(gòu)建低延遲無線鏈路變得困難。如果終端被困在衰落中，則必須等待傳輸信道發(fā)生變化，使終端能接收到數(shù)據(jù)。

2.3低成本、低功耗的組件構(gòu)造

大規(guī)模MIMO是一種在理論、系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方面不斷變化的技術(shù)。隨著大規(guī)模的MIMO發(fā)展，用于傳統(tǒng)的系統(tǒng)的昂貴的超線性50 W放大器被替換為數(shù)百個(gè)低成本放大器，輸出功率在微瓦范圍內(nèi)。大規(guī)模MIMO降低了每個(gè)放大器和RF鏈的精度和線性的限制。這使得大規(guī)模MIMO對(duì)衰落具有彈性，這也使得該技術(shù)對(duì)一個(gè)或幾個(gè)天線單元的故障具有魯棒性。

2.4簡(jiǎn)化了復(fù)雜的接入層

由于大數(shù)定律，信道變得固定，因此頻域調(diào)度不再有效。在OFDM中，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的每個(gè)子載波具有基本相同的信道增益。每個(gè)終端都被賦予整個(gè)帶寬，這使得大多數(shù)物理層控制信令冗余。

第三章 大規(guī)模MIMO的限制因素

3.1 信道互惠性

為了充分獲得大規(guī)模MIMO的波束形成增益，不需要對(duì)終端上行鏈路和下行鏈路鏈進(jìn)行校準(zhǔn)，基站設(shè)備被校準(zhǔn)后，天線陣列將向終端發(fā)送相干波束（在終端的接收器鏈中仍然會(huì)有一些不匹配，但這可以通過傳輸導(dǎo)頻信號(hào)來解決，這些輔助的導(dǎo)頻信號(hào)的開銷非常小。）不需要天線陣列進(jìn)行校準(zhǔn)。它可能會(huì)完全放棄互易校準(zhǔn)的陣列，例如如果上行和下行鏈之間的最大相位差小于60？，相干波束形成仍會(huì)出現(xiàn)（至少有最大比傳輸波束形成）盡管降低3分貝的增益。

3.2導(dǎo)頻污染

從一個(gè)小區(qū)到另一個(gè)小區(qū)重復(fù)使用到導(dǎo)頻產(chǎn)生的負(fù)面影響被稱為導(dǎo)頻污染。由于信道估計(jì)受干擾，下行鏈路傳輸也對(duì)那些共享同一導(dǎo)頻序列的終端產(chǎn)生干擾。在相同的速率下，干擾隨著天線的數(shù)目的增加而增加。即使部分導(dǎo)頻序列相關(guān)也會(huì)導(dǎo)致干擾，導(dǎo)頻污染問題必須要解決。有這么幾種方案：

a. 可以優(yōu)化導(dǎo)頻的分配。

b. 巧妙的信道估計(jì)算法。

c. 新的預(yù)編碼技術(shù)。

3.3 無線傳輸和信道響應(yīng)

大規(guī)模MIMO很大程度上依賴于無線電環(huán)境的特性，稱為有利傳播。簡(jiǎn)單地說，有利傳播意味著從基站到不同終端的傳播信道響應(yīng)是完全不同的。為了研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的特性，必須利用真實(shí)天線陣列進(jìn)行信道測(cè)量。

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，在給定的信道模型和發(fā)射功率約束下，可為傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻譜效率及能量效率等性能評(píng)估提供重要的依據(jù)。

第四章 總結(jié)

在這篇文章中，我們展現(xiàn)了大規(guī)模MIMO系統(tǒng)作為第五代（5G）蜂窩系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的巨大潛力。該技術(shù)在能源效率、頻譜效率、魯棒性和可靠性方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。它允許在基站和移動(dòng)終端使用低成本的硬件。在基站上，昂貴、功能強(qiáng)大的硬件被大量低成本、低功耗的硬件組合所取代，而如何實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的全部潛力仍面臨著挑戰(zhàn)，例如，計(jì)算復(fù)雜度、分布式處理算法的實(shí)現(xiàn)以及天線單元的同步。這給學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究人員提供了一個(gè)全新的研究問題的金礦。