薛纏明，趙翔宇，王繪州，郎明世

（太原衛(wèi)星發(fā)射中心，山西 太原 036301）

0 引 言

隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求的迅速增長(zhǎng)，通信系統(tǒng)需要更大的容量和更高的傳輸速度。大規(guī)模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）無(wú)線通信技術(shù)是系統(tǒng)擁有大量的天線，從而顯著提升系統(tǒng)容量。通過(guò)應(yīng)用波束賦形和空間復(fù)用技術(shù)，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)能夠獲得更強(qiáng)的信號(hào)增益，成為5G 通信的核心技術(shù)。為更有效地滿足用戶需求，文章深入研究大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)，以推動(dòng)國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信事業(yè)不斷發(fā)展。

1 MIMO 的基本特征

在通信技術(shù)發(fā)展的早期階段，通信通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。隨著時(shí)間的推移，MIMO 無(wú)線通信技術(shù)在此基礎(chǔ)上得到了發(fā)展[1]。在發(fā)射端安裝大量天線獨(dú)立傳輸信號(hào)，在接收端利用多個(gè)天線同時(shí)接收信號(hào)，使同步傳輸和接收多個(gè)信息流成為可能。單用戶MIMO 如圖1 所示。隨著天線規(guī)模的擴(kuò)大，無(wú)線信道系統(tǒng)的容量相應(yīng)增加，顯著提高了無(wú)線信道的容量。由于發(fā)送端和接收端位于各自的空間域，即使天線使用相同的頻段發(fā)送信號(hào)，接收機(jī)也能根據(jù)各種空間域識(shí)別不同的信號(hào)，這就是空間復(fù)用技術(shù)[2]。在多個(gè)用戶設(shè)備同時(shí)傳送信息的情況下，即多個(gè)終端設(shè)備將信息發(fā)送到一個(gè)基站時(shí)，需要考慮多用戶情況。與單用戶相比，多用戶擁有多個(gè)地址接入信道。多用戶MIMO 如圖2 所示。在具體應(yīng)用中，不同用戶之間的距離通常較遠(yuǎn)，非常適合進(jìn)行信息的并行傳輸，因此多用戶能夠顯著提高系統(tǒng)的傳輸速度以及頻譜的利用效率。

圖1 單用戶MIMO

圖2 多用戶MIMO

在大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，合理擴(kuò)大基站側(cè)天線的規(guī)模，對(duì)于深入挖掘無(wú)線資源并提高系統(tǒng)頻譜的利用效率具有重要意義。然而，該過(guò)程必須克服技術(shù)困難，防止基站側(cè)天線規(guī)模擴(kuò)大導(dǎo)致無(wú)線傳輸出現(xiàn)問(wèn)題，并主動(dòng)探索無(wú)線通信傳輸技術(shù)的新途徑[3]。隨著科技的快速發(fā)展，大規(guī)模無(wú)線通信技術(shù)不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)成為研究者們的熱門(mén)課題。然而，在目前的研究成果中，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng)的全面信道理論和實(shí)測(cè)建模還沒(méi)有得到普遍認(rèn)可?，F(xiàn)有的通信傳輸方案大多基于貝爾實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)思路，設(shè)置為單天線形式，且用戶規(guī)模較小，與基站天線規(guī)模相差很遠(yuǎn)。因此，對(duì)于大規(guī)模通信技術(shù)的探索仍處于初級(jí)階段，需要積極尋找與實(shí)際情況相符的模型。在建立信道模型和合理導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)的基礎(chǔ)上，需要分析頻譜和功率效果。同時(shí)，對(duì)于信道信息的獲取方式、傳送模式以及技術(shù)手段，需要進(jìn)一步深入分析，以充分發(fā)掘技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景，突破通信中的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)和數(shù)據(jù)采集瓶頸。這些技術(shù)對(duì)于用戶共享無(wú)線資源、有效處理復(fù)雜問(wèn)題以及系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)用問(wèn)題等具有重要作用。在通信技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代背景下，移動(dòng)通信技術(shù)的進(jìn)一步深入，對(duì)功率和頻譜效率提出了更高要求。通過(guò)深入開(kāi)發(fā)無(wú)線通信資源，可以有效增強(qiáng)無(wú)線通信的頻譜效率，實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展。

2 大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)介紹及其優(yōu)勢(shì)

2.1 大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)

大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)也被稱為大規(guī)模天線系統(tǒng)。傳統(tǒng)的天線安裝通常是2 根或4 根，但大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)配置了成百上千根天線。該技術(shù)巧妙結(jié)合了空間復(fù)用技術(shù)，利用與傳統(tǒng)通信相同的頻帶資源，擴(kuò)大了系統(tǒng)容量[4]。目前，對(duì)于大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的研究主要涉及3 個(gè)方面，即硬件配置、信號(hào)傳輸技術(shù)以及系統(tǒng)性能。

2.2 大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，基站端的天線規(guī)?？焖贁U(kuò)張，利用低頻帶波束進(jìn)行無(wú)線通信，使多用戶信道表現(xiàn)出獨(dú)立同分布的特性。這體現(xiàn)在不同傳輸信道之間存在正交性，能夠有效抑制和消除用戶間干擾，降低通信延遲，提高系統(tǒng)傳輸速度。其次，與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)相比，基于大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)系統(tǒng)擁有數(shù)量級(jí)更多的基站端天線，使得天線陣列的增益更高。通過(guò)信號(hào)包絡(luò)恒定原則和應(yīng)用波束成形技術(shù)，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)能夠充分利用空間的相關(guān)性，大大降低了數(shù)據(jù)在發(fā)送端的功耗，實(shí)現(xiàn)了更低的系統(tǒng)配置，顯著降低了硬件成本。最后，基站端安裝的天線規(guī)模龐大，可以視為天線規(guī)模趨近無(wú)窮大。大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng)的傳輸信道會(huì)表現(xiàn)出極快的均衡衰落，顯著降低了窗口的等待時(shí)長(zhǎng)，大幅減少了通信延遲，使用戶擺脫了長(zhǎng)時(shí)間衰落的狀態(tài)。

大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)顯著增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的傳輸容量，但在實(shí)踐應(yīng)用中仍存在許多需要突破的技術(shù)難題，需要進(jìn)一步研究和解決，以充分發(fā)揮大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的作用。

3 大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大規(guī)模MIMO 信道建模技術(shù)

對(duì)于大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)而言，信道建模是最本質(zhì)和最主要的理論分析手段。準(zhǔn)確的高質(zhì)量信道建模不僅能夠?yàn)槔碚摲治鎏峁┍匾獥l件，還能推動(dòng)其他技術(shù)的發(fā)展和系統(tǒng)改革[5]。目前，在大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信信道建模方面的研究已經(jīng)取得了許多創(chuàng)新性的理論成果。

分析大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng)模型的過(guò)程中，需要重點(diǎn)關(guān)注頻譜效率、能效以及功耗，并將這些數(shù)據(jù)作為信道建模的前提條件。研究者們利用真實(shí)通信系統(tǒng)內(nèi)的大規(guī)模具體配置進(jìn)行信道建模模擬，從而獲得與實(shí)際傳輸信道基本一致的信道模型，能夠準(zhǔn)確反映大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)在實(shí)際通信中的性能，為進(jìn)一步的技術(shù)優(yōu)化和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供重要參考。

與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是擁有龐大的天線數(shù)量，不僅能夠擴(kuò)大信道容量，還使得信道空間相關(guān)性更加復(fù)雜。因此，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在多種信道模型，而非單一的模型。目前的信道建模工作缺乏統(tǒng)一安排，主要包含實(shí)測(cè)階段和推理階段。實(shí)測(cè)階段指通過(guò)詳細(xì)測(cè)量真實(shí)通信系統(tǒng)內(nèi)不同無(wú)線信道的參數(shù)以獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的理論探索提供基礎(chǔ)。推理階段則是指利用真實(shí)的已有數(shù)據(jù)，運(yùn)用數(shù)學(xué)和物理知識(shí)，為具體的測(cè)量提供理論支持。盡管信道建模在實(shí)踐中有不同的類(lèi)別，但基本上通過(guò)實(shí)測(cè)和推理形式完成。因此，必須將推理和實(shí)測(cè)有機(jī)結(jié)合，以統(tǒng)一的方法推進(jìn)信道建模工作。目前，解決導(dǎo)頻污染問(wèn)題是當(dāng)前大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的重要任務(wù)。該問(wèn)題并未隨著天線規(guī)模的擴(kuò)大而得到有效解決，可能會(huì)在大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的具體應(yīng)用過(guò)程中引發(fā)較大問(wèn)題。如果能夠獲得精確的信道建模數(shù)據(jù)，則能夠有效解決這一問(wèn)題。

3.2 大規(guī)模MIMO 的CSI 獲取技術(shù)

在無(wú)線通信系統(tǒng)中，信道狀態(tài)信息（Channel State Information，CSI）的完善程度與無(wú)線通信的水平密切相關(guān)。為有效利用大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)，必須獲得精準(zhǔn)的CSI。如果能夠借助推理和經(jīng)驗(yàn)方法獲取精確的CSI，則有利于后續(xù)工作的開(kāi)展。對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)，獲得精準(zhǔn)的CSI 是極其重要且必不可少的步驟。在大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng)中，下行鏈路展開(kāi)預(yù)編碼過(guò)程需要準(zhǔn)確的CSI，否則上下行通信無(wú)法順利進(jìn)行。大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信系統(tǒng)通常包含2類(lèi)通信模式，即時(shí)分雙工（Time Division Duplexing，TDD） 和頻分雙工（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD）。這2 種通信方式在獲取信道狀態(tài)信息的途徑方面存在根本性差異[6]。TDD 模式內(nèi)的一個(gè)重要特性是互易性，即上行鏈路的信道狀態(tài)信息可以用于下行鏈路。然而，F(xiàn)DD 模式內(nèi)沒(méi)有這樣的特性。因此，在頻分雙工模式中，下行鏈路的信道狀態(tài)信息需要從用戶端進(jìn)行信道估計(jì)，然后將信息發(fā)送給基站。對(duì)于大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用而言，獲取精準(zhǔn)的信道狀態(tài)信息至關(guān)重要。不同的通信方式可能需要不同的獲取途徑，這需要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中予以充分考慮。

3.3 毫米波通信技術(shù)

毫米波通信技術(shù)是有效應(yīng)對(duì)無(wú)線通信頻譜資源匱乏的主要方式。毫米波通信的工作頻段為30 ～300 GHz，波長(zhǎng)保持在1 ～10 mm。隨著大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)步，毫米波通信的優(yōu)勢(shì)將更為顯著。在毫米波通信中，由于大氣衰減的存在，計(jì)算時(shí)需要考慮電磁波在大氣中的傳輸特性。氧氣分子和水蒸氣在毫米波頻段內(nèi)會(huì)引起信號(hào)衰減，而這種衰減與頻率密切相關(guān)。然而，與低頻段無(wú)線電波相比，毫米波通信在傳輸中更易受到頻率選擇性吸收，因此更適用于短距離大規(guī)模無(wú)線傳輸。在通信系統(tǒng)中，當(dāng)用戶規(guī)模急速擴(kuò)張時(shí)，TDD 和FDD 的性能都會(huì)大幅降低。這是由于用戶規(guī)模的急速擴(kuò)張導(dǎo)致導(dǎo)頻規(guī)模極度匱乏，尤其在TDD 場(chǎng)景下，需要注意導(dǎo)頻的二次應(yīng)用，從而造成導(dǎo)頻污染問(wèn)題。在FDD 模式下，由于用戶規(guī)模急速擴(kuò)張和天線規(guī)模的增大，通過(guò)下行反饋模式獲得的信道狀態(tài)信息會(huì)大幅增加開(kāi)銷(xiāo)。若想充分發(fā)揮大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的作用和價(jià)值，必須有效解決導(dǎo)頻污染問(wèn)題。在TDD 和FDD 之間進(jìn)行比較，若能找到有效的方式抑制導(dǎo)頻干擾，則可以獲得更高準(zhǔn)確度和更少開(kāi)銷(xiāo)的信道狀態(tài)信息。因此，解決導(dǎo)頻污染問(wèn)題是確保大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

4 MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展前景

6G 通信系統(tǒng)利用人、機(jī)、物之間的智能互聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)從移動(dòng)互聯(lián)到萬(wàn)物互聯(lián)，甚至萬(wàn)物智聯(lián)的飛躍。而大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)通過(guò)對(duì)空間維度資源的充分開(kāi)發(fā)，顯著增強(qiáng)了通信網(wǎng)絡(luò)的容量，成為現(xiàn)階段和未來(lái)物理層的核心技術(shù)。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)不斷向海量天線和高頻段演進(jìn)與發(fā)展，通信技術(shù)和感知技術(shù)在硬件結(jié)構(gòu)、信道特性、信號(hào)處理模式等層面逐漸趨于統(tǒng)一。有機(jī)融合大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)與通信感知一體化技術(shù)，并利用大規(guī)模天線陣列提供更強(qiáng)大的空間判斷能力，能夠極大增強(qiáng)感知能力的潛能。同時(shí)，通過(guò)將感知能力融入通信系統(tǒng)，能夠更加方便地獲取信道狀態(tài)信息，完成波束成形設(shè)計(jì)，從而提升通信服務(wù)的效率和質(zhì)量。因此，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)有望同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速率的通信和高精準(zhǔn)性的感知，有效推動(dòng)未來(lái)車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工廠等應(yīng)用的進(jìn)步。大規(guī)模MTMO 無(wú)線通信感知一體化應(yīng)用場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 大規(guī)模MTMO 無(wú)線通信感知一體化應(yīng)用場(chǎng)景

面對(duì)未來(lái)的6G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)有望與其他物理層核心技術(shù)良好融合、共同演進(jìn)。一是極端規(guī)模技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的進(jìn)一步演化、進(jìn)化以及更新，提高大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)的頻譜和能量效率，不斷增強(qiáng)其性能。由于其具備出色的空間判斷能力，可以獲取更多種類(lèi)的信息，幫助感知和判斷視距或非視距傳播。同時(shí)，該技術(shù)擁有優(yōu)化的波束成形水平，可以提供非地面覆蓋，有效監(jiān)控低空的無(wú)人機(jī)等。在高速移動(dòng)情境中，通過(guò)信息感知實(shí)現(xiàn)快速波束對(duì)準(zhǔn)和動(dòng)態(tài)追蹤，增強(qiáng)城市復(fù)雜環(huán)境下位置服務(wù)的安全性。二是無(wú)蜂窩大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)。該技術(shù)借助各基站之間的合作，全面消除各小區(qū)之間的干擾，顯著提升網(wǎng)絡(luò)容量，并具備增強(qiáng)感知能力的潛能。通過(guò)在更廣闊的地理范圍內(nèi)設(shè)置更多分布型小基站，遠(yuǎn)端無(wú)線單元通過(guò)多接入口獲得目標(biāo)的回波信息，提升信號(hào)接收水平。海量的感知數(shù)據(jù)通過(guò)分布型射頻與天線回傳至中央處理單元，借助多個(gè)節(jié)點(diǎn)的合作與多個(gè)基站的協(xié)同計(jì)算，實(shí)現(xiàn)追蹤、定位以及成像等高精度功能需求，為分布型和網(wǎng)絡(luò)化的感知提供保障。三是智能超表面（Reconfigurable intelligent surface，RIS）。該技術(shù)具備諸多獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，如成本低、能耗小、設(shè)置難度低等，是6G 網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。RIS 能通過(guò)無(wú)線中繼靈活操控信道環(huán)境，向通信感知一體化（Integrated Sensing And Communications，ISAC）提供特殊的非視距感知渠道，增強(qiáng)感知的覆蓋范圍及其穩(wěn)定性。RIS 和大規(guī)模MIMO 技術(shù)互相融合，深入發(fā)展成為全息技術(shù)，不僅能減少成本，還能提供更大的天線孔徑，同時(shí)在基站或空中平臺(tái)的設(shè)置更簡(jiǎn)單。借助機(jī)動(dòng)化波束指向與聚焦波束發(fā)射，可進(jìn)一步增強(qiáng)感知的精準(zhǔn)程度。

5 結(jié) 論

大規(guī)模MIMO 無(wú)線通信技術(shù)是無(wú)線技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向，其中關(guān)鍵要素包括信道建模技術(shù)、獲取技術(shù)以及毫米波通信技術(shù)。在未來(lái)的通信感知集約型應(yīng)用場(chǎng)景中，這些技術(shù)發(fā)展前景廣闊。因此，業(yè)內(nèi)技術(shù)研究者需要著重探討這些關(guān)鍵技術(shù)，并通過(guò)突破關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模無(wú)線通信的目標(biāo)。