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。它允許在基站和移動終端使用低成本的硬件，可以使容量增加的同時提高輻射能量效率，顯著降低在空中接口上延遲。但也存在一些現(xiàn)實的限制因素，包括信道的互惠性，導頻污染問題以及無線傳輸和信道特性。本文介紹了實現(xiàn)該技術的全部潛力和面臨的挑戰(zhàn)，例如，導頻污染、計算復雜度、低成本硬件的問題以及分布式處理算法的實現(xiàn)問題。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的信號處理方法不需要再采用復雜的非線性設計來避免干擾，而只需要簡單的線性設計即可實現(xiàn)較好的系統(tǒng)性能。比如在預編碼方法研究方面：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中一般采用線性預編碼，比如MRT（最大比發(fā)送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方誤差）。

關鍵詞：大規(guī)模MIMO；導頻污染；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

蜂窩網絡的發(fā)展主要受無線用戶設備的持續(xù)增長，數(shù)據使用量， 以及對更好的體驗質量的需求的影響。預計到 2020 年底，將有超過 500 億個連接設備使用蜂窩網絡服務，與 2014年相比，這將導致數(shù)據流量的巨大增長。但是，最新的解決方案不足以應對上述挑戰(zhàn)。總而言之， 3D（Device、 Data、 Data 傳輸速率）的增加促進了 5G 網絡的發(fā)展，具體來說，蜂窩網絡的第五代（5G）將突出并解決三個廣泛的觀點，如：以用戶為中心、以服務提供商為中心、以網絡運營商為中心

1.2 目前移動通信的局限性

4G 網絡不足以支持具有低延遲和顯著頻譜效率的大規(guī)模連接設備。

不支持突發(fā)數(shù)據流量：有些移動應用程序會發(fā)送心跳消息到服務器，有時會在很短的時間內請求非常高的數(shù)據傳輸速率。這種類型的數(shù)據傳輸更多地消耗了（移動）用戶設備（UE）的電池壽命，同時增加網絡中的突發(fā)數(shù)據，可能造成核心網絡崩潰。

基站處理能力的低效利用率：在當前的蜂窩網絡中，基站（BS）的處理能力只能由其關聯(lián)的 UE 使用，并且它們被設計為支持峰值時間業(yè)務。然而，當輕載時， BS 的處理能力可以在大的地理區(qū)域上共享，網絡的總成本增加。

1.3 5G 通信無線傳輸?shù)年P鍵技術

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

另一項關鍵技術就是多天線，現(xiàn)在比較火的是MIMO技術，大規(guī)模MIMO技術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)內以及小區(qū)間干擾，還能實現(xiàn)頻譜效率和功率效率在4G 的基礎上再提升一個量級。此外，射頻調制解調技術也屬于關鍵技術。

1.4 大規(guī)模MIMO的簡介

5G（后4G）時代，小區(qū)越來越密集，對容量、耗能和業(yè)務的需求越來越高，現(xiàn)有4G蜂窩網絡的多天線技術（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)百個天線或更多）可以帶來很多的性能優(yōu)勢。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）。

關于大規(guī)模MIMO，我們考慮使用上百根的天線陣列在同一時域資源中同時服務數(shù)十個終端設備。大規(guī)模MIMO的基本前提是獲得傳統(tǒng)MIMO的所有優(yōu)點，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）網絡發(fā)展的推動力，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)所使用的實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中采用了空間復用技術。能量效率顯著提高是因為隨著大量的天線，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算簡單性（接收信號的共軛和信道響應相乘），而且還可以獨立地在每個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。衰落使接收信號強度在某一時間內變得非常小。信號從基站通過多徑信道到達終端時衰落，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。

2.3低成本、低功耗的組件構造

大規(guī)模MIMO是一種在理論、系統(tǒng)和實現(xiàn)方面不斷變化的技術。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)百個低成本放大器，輸出功率在微瓦范圍內。大規(guī)模MIMO降低了每個放大器和RF鏈的精度和線性的限制。這使得大規(guī)模MIMO對衰落具有彈性，這也使得該技術對一個或幾個天線單元的故障具有魯棒性。

2.4簡化了復雜的接入層

由于大數(shù)定律，信道變得固定，因此頻域調度不再有效。在OFDM中，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的每個子載波具有基本相同的信道增益。每個終端都被賦予整個帶寬，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，不需要對終端上行鏈路和下行鏈路鏈進行校準，基站設備被校準后，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有一些不匹配，但這可以通過傳輸導頻信號來解決，這些輔助的導頻信號的開銷非常小。）不需要天線陣列進行校準。它可能會完全放棄互易校準的陣列，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導頻污染

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

a. 可以優(yōu)化導頻的分配。

b. 巧妙的信道估計算法。

c. 新的預編碼技術。

3.3 無線傳輸和信道響應

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，必須利用真實天線陣列進行信道測量。

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)化設計、頻譜效率及能量效率等性能評估提供重要的依據。

第四章 總結

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)的關鍵技術的巨大潛力。該技術在能源效率、頻譜效率、魯棒性和可靠性方面有著巨大的優(yōu)勢。它允許在基站和移動終端使用低成本的硬件。在基站上，昂貴、功能強大的硬件被大量低成本、低功耗的硬件組合所取代，而如何實現(xiàn)該技術的全部潛力仍面臨著挑戰(zhàn)，例如，計算復雜度、分布式處理算法的實現(xiàn)以及天線單元的同步。這給學術界和工業(yè)界的研究人員提供了一個全新的研究問題的金礦。