大規模MIMO無線通信關鍵技術

基于大規模MIMO基本架構，探討了信道建模和系統性能分析、信道狀態信息獲取技術、多用戶上下行無線傳輸技術等大規模MIMO傳輸關鍵技術；認為利用大規模陣列天線的多用戶多輸入多輸出（MIMO）傳輸，將顯著提升無線通信系統的頻譜效率及功率效率。

大規模MIMO；寬帶無線通信；綠色無線通信

現代信息社會的發展，使得寬帶信息服務逐步延展到移動終端成為必然趨勢，以提供語音業務為主的傳統蜂窩移動通信系統，正逐步演變為向移動用戶提供互聯網接入以及視頻和多媒體業務的寬帶移動通信系統。

在過去的20年中，移動通信技術不斷進步，技術標準不斷演進，最新推出的第四代移動通信技術（4G），其數據業務傳輸速率達到每秒百兆甚至千兆比特，能夠在較大程度上滿足今后一段時期內寬帶移動通信應用需求[1]。然而，隨著智能終端普及應用及移動新業務需求持續增長，無線傳輸速率需求呈指數增長，至2020年，無線通信的傳輸速率需求將是目前正在運營系統的千倍[2]，能夠支撐高達每秒千兆比特傳輸速率的4G移動通信系統，將仍然難以滿足未來移動通信的應用需求。另一方面，隨著全球范圍內移動用戶數與高速數據業務應用的增長以及信息技術系統能源消耗所占比例的不斷增加，降低移動通信網絡系統的能源消耗已逐漸成為移動通信發展的重要需求[3]，以支持高速率傳輸為主要目標的4G移動通信技術，將難以滿足未來移動通信對能耗效率的需求。因此，移動通信技術需要在4G基礎上不斷演進，滿足超高傳輸速率無線通信的相關需求。

世界各國在推動4G產業化工作的同時，已開始著眼于新一代移動通信技術（5G）的研究，力求使無線移動通信系統性能和產業規模產生新的飛躍。4G之后移動通信的發展，需要新的重大科學問題的解決和原理性的突破，在無線頻譜資源日趨緊張的情況下，如何在4G基礎上，將無線移動通信的頻譜效率和功率效率進一步提升一個量級以上，是4G之后移動通信技術的核心所在。4G之后移動通信發展需要在網絡系統結構、組網技術及無線傳輸技術等方面進行新的變革，從根本上解決移動通信的頻譜有效性和功率有效性問題，實現更高頻譜效率和綠色無線通信的雙重目標。

面向4G之后移動通信的發展，為提高無線資源利用率、改善系統覆蓋性能、顯著降低單位比特能耗，異構分布式協作網絡技術及智能自組織組網技術得到業界更加廣泛的關注[2-4]。

在分布式協作網絡系統中，處于不同地理位置的節點（基站、遠程天線陣列單元或無線中繼站）在同一時頻資源上協作完成與多個移動通信終端的通信，形成網絡多輸入多輸出（MIMO）信道，可以克服傳統蜂窩系統中MIMO技術應用的局限，在提高頻譜效率和功率效率的同時，改善小區邊緣的傳輸性能。然而，在目前典型的節點天線個數配置和小區設置的情況下，研究工作表明網絡MIMO傳輸系統會出現頻譜和功率效率提升的“瓶頸”問題[5]。為此，研究者們提出在各節點以大規模陣列天線替代目前采用的多天線[6-7]，由此形成大規模MIMO無線通信環境（如圖1所示），以深度挖掘利用空間維度無線資源，解決未來移動通信的頻譜效率及功率效率問題。

大規模MIMO無線通信的基本特征是：在基站覆蓋區域內配置數十根甚至數百根以上天線，較4G系統中的4（或8）根天線數增加一個量級以上，這些天線以大規模陣列方式集中放置；分布在基站覆蓋區內的多個用戶，在同一時頻資源上，利用基站大規模天線配置所提供的空間自由度，與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力、各個用戶鏈路的頻譜效率以及抵抗小區間干擾的能力，由此大幅提升頻譜資源的整體利用率；與此同時，利用基站大規模天線配置所提供的分集增益和陣列增益，每個用戶與基站之間通信的功率效率也可以得到進一步顯著提升。

大規模MIMO無線通信通過顯著增加基站側配置天線的個數，以深度挖掘利用空間維度無線資源，提升系統頻譜效率和功率效率，其所涉及的基本通信問題是：如何突破基站側天線個數顯著增加所引發的無線傳輸技術“瓶頸”，探尋適于大規模MIMO通信場景的無線傳輸技術。

近兩年來，大規模MIMO無線通信引起了研究者們的廣泛關注，文獻上出現了一些初步的相關研究工作報道[8-18]，這些工作涉及傳輸性能分析、傳輸方案設計等多個方面。從已報道的工作可見：

（1）關于大規模MIMO信道的理論建模和實測建模的工作較少，還沒有受到廣泛認可的信道模型出現。

（2）所涉及的傳輸方案大都基于貝爾實驗室提出的方案[6]，即在配備單天線的用戶數目遠小于基站天線個數的假設下，通過上行鏈路正交導頻和時分雙工（TDD）系統上下行信道互易性，基站側獲得多用戶上下行信道參數估計值，并以此實施上行接收處理和下行預編碼傳輸。

（3）傳輸方案性能分析往往假設大規模MIMO信道是理想的獨立同分布（IID）信道，在此條件下，導頻污染被認為是大規模MIMO系統中的“瓶頸”問題。

由此可知，大規模MIMO無線通信技術研究尚處在起步階段，為充分挖掘其潛在的技術優勢，需要探明符合典型實際應用場景的信道模型，并在實際信道模型、適度的導頻開銷及實現復雜性等約束條件下，分析其可達的頻譜效率和功率效率，進而探尋信道信息獲取技術及最優傳輸技術，解決大規模MIMO無線通信所涉及的導頻開銷及信道信息獲取“瓶頸”問題、多用戶共享空間無線資源問題、系統實現復雜性問題、對中高速移動通信場景及頻分雙工（FDD）系統的適用性問題等。

綜上所述，4G之后移動通信對頻譜效率及功率效率提出了更高的要求，大規模MIMO無線通信能夠深度挖掘空間維度無線資源，大幅提升無線通信頻譜效率和功率效率，是支撐未來新一代寬帶綠色移動通信最具潛力的研究方向之一。

本文對大規模MIMO無線通信關鍵技術進行探討，重點包括復雜無線環境中大規模MIMO信道模型和系統性能分析技術、信道狀態信息獲取技術及多用戶上下行無線傳輸技術等方面。

1 信道模型及系統性能

分析技術

信道模型與系統性能分析是無線通信系統設計的基礎。在大規模MIMO無線通信環境下，基站側配置大規模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強，大規模MIMO無線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統地探討。值得注意的是，盡管大規模MIMO已引起國際上的廣泛關注，但有關大規模MIMO信道的理論建模和實測建模的工作較少。

已報道的文獻中往往假設大規模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實測結果表明，實際的大規模MIMO無線傳輸信道并不能滿足IID假設，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關分析結果存在著較大的局限性。各種應用場景下大規模MIMO無線信道的理論建模和實測建模的工作是有待進一步開展。

在給定的信道模型和發射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對信道容量的影響，可為傳輸系統優化設計、頻譜以及功率效率等性能評估提供重要的依據。

在已報道的文獻中，有關容量和傳輸方案性能分析大都假設信道滿足IID條件，在此條件下，導頻污染被認為是大規模MIMO系統中的“瓶頸”問題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設條件成立，通過在多個基站之間聯合實施統計預編碼，理論上可以完全消除導頻污染問題[14]。

對于帶空間相關性的大規模MIMO信道，利用各用戶的統計信道信息，通過多個基站之間聯合實施導頻調度，也可以有效減輕導頻污染[12]。對于典型實際應用場景下無線信道特性對大規模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進一步開展。

2 信道狀態信息獲取技術

信道估計是信號檢測和自適應傳輸的基礎，對于大規模MIMO無線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實驗室提出的TDD大規模MIMO傳輸方案中[6]，小區中的各用戶（通常假設配置單個天線）向基站發送相互正交的導頻信號，基站利用接收到的導頻信號，獲得上行鏈路信道參數的估計值，再利用TDD系統上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數的估計值，由此實施上行檢測和下行預編碼傳輸。隨著用戶數目的增加，用于信道參數估計的導頻開銷隨之線性增加，特別地，在中高速移動通信場景，導頻開銷將會消耗掉大部分的時頻資源，成為系統的“瓶頸”。開展導頻受限條件下的TDD大規模MIMO信道信息獲取技術研究具有重要的實際應用價值[19]。

此外，貝爾實驗室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對該問題，美國南加州大學提出了聯合空分復用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側利用不同用戶的信道二階統計量進行用戶分組及預波束賦形，由于預波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實施信道估計能夠顯著降低信道狀態信息獲取所需的開銷，這使得FDD模式下大規模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設在同一組內的不同用戶的信道協方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶的信道協方差矩陣相互正交，該信道假設過于理想，在實際中通常難以滿足。深入開展在實際信道條件下的導頻受限FDD大規模MIMO傳輸技術研究具有重要性[20]。

3 多用戶傳輸技術

如何實現多用戶空間無線資源共享及如何優化設計多用戶上下行傳輸系統，涉及基站側和用戶端所能夠獲得的信道狀態信息。在大規模MIMO無線通信系統中，基站側與用戶端均難以獲取完整信道的瞬時狀態信息，這意味著大規模MIMO傳輸技術將不同于現有的MIMO傳輸技術。在已報道的有關工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實驗室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導頻和TDD系統上下行信道互易性，基站側可獲得多用戶上下行信道參數估計值，基站側假定所獲取的信道參數估計值為真實值，并以此實施多用戶聯合上行接收處理和下行預編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側將信道估計值作為真實值來實施上下行傳輸，傳輸的魯棒性無法保證；單個用戶僅配置單根天線，當系統中用戶數較少時，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號檢測和下行鏈路的預編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運算，系統實現復雜度高；FDD系統中所有用戶瞬時信道信息獲取困難，存在著FDD系統的適用性問題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問題，在基站側僅知部分信道信息時，實現多用戶共享空間無線資源和高性能高魯棒性低復雜度的大規模MIMO無線傳輸，是有待解決的重要問題。

4 結束語

小規模天線配置下的MIMO無線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規模MIMO無線通信能夠大幅度提升無線通信系統頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無線通信領域最具潛力的研究方向之一。盡管大規模MIMO無線通信技術已引起國際上的廣泛關注，但相關研究工作尚處在起步階段。

基于大規模MIMO基本架構，本文討論了信道建模和系統性能分析技術、信道狀態信息獲取技術及多用戶上下行無線傳輸技術等大規模MIMO傳輸關鍵技術的研究進展。

1 信道模型及系統性能

分析技術

信道模型與系統性能分析是無線通信系統設計的基礎。在大規模MIMO無線通信環境下，基站側配置大規模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強，大規模MIMO無線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統地探討。值得注意的是，盡管大規模MIMO已引起國際上的廣泛關注，但有關大規模MIMO信道的理論建模和實測建模的工作較少。

已報道的文獻中往往假設大規模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實測結果表明，實際的大規模MIMO無線傳輸信道并不能滿足IID假設，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關分析結果存在著較大的局限性。各種應用場景下大規模MIMO無線信道的理論建模和實測建模的工作是有待進一步開展。

在給定的信道模型和發射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對信道容量的影響，可為傳輸系統優化設計、頻譜以及功率效率等性能評估提供重要的依據。

在已報道的文獻中，有關容量和傳輸方案性能分析大都假設信道滿足IID條件，在此條件下，導頻污染被認為是大規模MIMO系統中的“瓶頸”問題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設條件成立，通過在多個基站之間聯合實施統計預編碼，理論上可以完全消除導頻污染問題[14]。

對于帶空間相關性的大規模MIMO信道，利用各用戶的統計信道信息，通過多個基站之間聯合實施導頻調度，也可以有效減輕導頻污染[12]。對于典型實際應用場景下無線信道特性對大規模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進一步開展。

2 信道狀態信息獲取技術

信道估計是信號檢測和自適應傳輸的基礎，對于大規模MIMO無線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實驗室提出的TDD大規模MIMO傳輸方案中[6]，小區中的各用戶（通常假設配置單個天線）向基站發送相互正交的導頻信號，基站利用接收到的導頻信號，獲得上行鏈路信道參數的估計值，再利用TDD系統上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數的估計值，由此實施上行檢測和下行預編碼傳輸。隨著用戶數目的增加，用于信道參數估計的導頻開銷隨之線性增加，特別地，在中高速移動通信場景，導頻開銷將會消耗掉大部分的時頻資源，成為系統的“瓶頸”。開展導頻受限條件下的TDD大規模MIMO信道信息獲取技術研究具有重要的實際應用價值[19]。

此外，貝爾實驗室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對該問題，美國南加州大學提出了聯合空分復用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側利用不同用戶的信道二階統計量進行用戶分組及預波束賦形，由于預波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實施信道估計能夠顯著降低信道狀態信息獲取所需的開銷，這使得FDD模式下大規模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設在同一組內的不同用戶的信道協方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶的信道協方差矩陣相互正交，該信道假設過于理想，在實際中通常難以滿足。深入開展在實際信道條件下的導頻受限FDD大規模MIMO傳輸技術研究具有重要性[20]。

3 多用戶傳輸技術

如何實現多用戶空間無線資源共享及如何優化設計多用戶上下行傳輸系統，涉及基站側和用戶端所能夠獲得的信道狀態信息。在大規模MIMO無線通信系統中，基站側與用戶端均難以獲取完整信道的瞬時狀態信息，這意味著大規模MIMO傳輸技術將不同于現有的MIMO傳輸技術。在已報道的有關工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實驗室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導頻和TDD系統上下行信道互易性，基站側可獲得多用戶上下行信道參數估計值，基站側假定所獲取的信道參數估計值為真實值，并以此實施多用戶聯合上行接收處理和下行預編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側將信道估計值作為真實值來實施上下行傳輸，傳輸的魯棒性無法保證；單個用戶僅配置單根天線，當系統中用戶數較少時，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號檢測和下行鏈路的預編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運算，系統實現復雜度高；FDD系統中所有用戶瞬時信道信息獲取困難，存在著FDD系統的適用性問題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問題，在基站側僅知部分信道信息時，實現多用戶共享空間無線資源和高性能高魯棒性低復雜度的大規模MIMO無線傳輸，是有待解決的重要問題。

4 結束語

小規模天線配置下的MIMO無線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規模MIMO無線通信能夠大幅度提升無線通信系統頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無線通信領域最具潛力的研究方向之一。盡管大規模MIMO無線通信技術已引起國際上的廣泛關注，但相關研究工作尚處在起步階段。

基于大規模MIMO基本架構，本文討論了信道建模和系統性能分析技術、信道狀態信息獲取技術及多用戶上下行無線傳輸技術等大規模MIMO傳輸關鍵技術的研究進展。

1 信道模型及系統性能

分析技術

信道模型與系統性能分析是無線通信系統設計的基礎。在大規模MIMO無線通信環境下，基站側配置大規模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強，大規模MIMO無線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統地探討。值得注意的是，盡管大規模MIMO已引起國際上的廣泛關注，但有關大規模MIMO信道的理論建模和實測建模的工作較少。

已報道的文獻中往往假設大規模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實測結果表明，實際的大規模MIMO無線傳輸信道并不能滿足IID假設，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關分析結果存在著較大的局限性。各種應用場景下大規模MIMO無線信道的理論建模和實測建模的工作是有待進一步開展。

在給定的信道模型和發射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對信道容量的影響，可為傳輸系統優化設計、頻譜以及功率效率等性能評估提供重要的依據。

在已報道的文獻中，有關容量和傳輸方案性能分析大都假設信道滿足IID條件，在此條件下，導頻污染被認為是大規模MIMO系統中的“瓶頸”問題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設條件成立，通過在多個基站之間聯合實施統計預編碼，理論上可以完全消除導頻污染問題[14]。

對于帶空間相關性的大規模MIMO信道，利用各用戶的統計信道信息，通過多個基站之間聯合實施導頻調度，也可以有效減輕導頻污染[12]。對于典型實際應用場景下無線信道特性對大規模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進一步開展。

2 信道狀態信息獲取技術

信道估計是信號檢測和自適應傳輸的基礎，對于大規模MIMO無線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實驗室提出的TDD大規模MIMO傳輸方案中[6]，小區中的各用戶（通常假設配置單個天線）向基站發送相互正交的導頻信號，基站利用接收到的導頻信號，獲得上行鏈路信道參數的估計值，再利用TDD系統上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數的估計值，由此實施上行檢測和下行預編碼傳輸。隨著用戶數目的增加，用于信道參數估計的導頻開銷隨之線性增加，特別地，在中高速移動通信場景，導頻開銷將會消耗掉大部分的時頻資源，成為系統的“瓶頸”。開展導頻受限條件下的TDD大規模MIMO信道信息獲取技術研究具有重要的實際應用價值[19]。

此外，貝爾實驗室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對該問題，美國南加州大學提出了聯合空分復用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側利用不同用戶的信道二階統計量進行用戶分組及預波束賦形，由于預波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實施信道估計能夠顯著降低信道狀態信息獲取所需的開銷，這使得FDD模式下大規模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設在同一組內的不同用戶的信道協方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶的信道協方差矩陣相互正交，該信道假設過于理想，在實際中通常難以滿足。深入開展在實際信道條件下的導頻受限FDD大規模MIMO傳輸技術研究具有重要性[20]。

3 多用戶傳輸技術

如何實現多用戶空間無線資源共享及如何優化設計多用戶上下行傳輸系統，涉及基站側和用戶端所能夠獲得的信道狀態信息。在大規模MIMO無線通信系統中，基站側與用戶端均難以獲取完整信道的瞬時狀態信息，這意味著大規模MIMO傳輸技術將不同于現有的MIMO傳輸技術。在已報道的有關工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實驗室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導頻和TDD系統上下行信道互易性，基站側可獲得多用戶上下行信道參數估計值，基站側假定所獲取的信道參數估計值為真實值，并以此實施多用戶聯合上行接收處理和下行預編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側將信道估計值作為真實值來實施上下行傳輸，傳輸的魯棒性無法保證；單個用戶僅配置單根天線，當系統中用戶數較少時，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號檢測和下行鏈路的預編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運算，系統實現復雜度高；FDD系統中所有用戶瞬時信道信息獲取困難，存在著FDD系統的適用性問題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問題，在基站側僅知部分信道信息時，實現多用戶共享空間無線資源和高性能高魯棒性低復雜度的大規模MIMO無線傳輸，是有待解決的重要問題。

4 結束語

小規模天線配置下的MIMO無線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規模MIMO無線通信能夠大幅度提升無線通信系統頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無線通信領域最具潛力的研究方向之一。盡管大規模MIMO無線通信技術已引起國際上的廣泛關注，但相關研究工作尚處在起步階段。

基于大規模MIMO基本架構，本文討論了信道建模和系統性能分析技術、信道狀態信息獲取技術及多用戶上下行無線傳輸技術等大規模MIMO傳輸關鍵技術的研究進展。