面向5G通信的Massive MIMO技術(shù)研究

【摘要】 Massive MIMO （Multiple-Input-Multiple-Output）作為傳統(tǒng)MIMO技術(shù)的延伸，是5G無線通信的一個重要研究方向。Massive MIMO技術(shù)是近四年來才得到飛速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，它通過大量增加通信的天線數(shù)量，采用時分雙工的通信模式，使系統(tǒng)性能達(dá)到空前的高度。重點(diǎn)闡述了5G通信研究現(xiàn)狀、大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)以及存在的技術(shù)挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】 5G 大規(guī)模MIMO 導(dǎo)頻污染

引言

過去十多年，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)發(fā)展迅速，它在改善無線通信系統(tǒng)頻譜效率和降低系統(tǒng)功耗方面具有重要意義。伴隨高端智能移動終端的快速普及和移動用戶數(shù)的不斷增多，我們對移動通信數(shù)據(jù)傳輸速率的需求成指數(shù)增長，下一代移動通信系統(tǒng)（5G）需滿足以下要求：（1）滿足快速增長的移動通信用戶數(shù)；（2）更高的頻譜利用率和通信可靠性；（3）更低的功耗。

一、5G通信研究現(xiàn)狀

隨著4G進(jìn)入大規(guī)模商用，5G成為全球研究的熱點(diǎn)。2015年2月，IMT-2020（5G）推進(jìn)組在北京發(fā)布5G概念白皮書，結(jié)合關(guān)鍵能力與核心技術(shù)，提出了由“標(biāo)志性能力指標(biāo)+一組核心關(guān)鍵技術(shù)”共同定義的5G概念。其中標(biāo)志性能力指標(biāo)為“Gbps用戶體驗(yàn)速率”，一組關(guān)鍵技術(shù)包括超密集組網(wǎng)、大規(guī)模天線陣列、新型多址、全頻譜接入等。

1.1超密集組網(wǎng)

超密集組網(wǎng)通過增加基站個數(shù)和基站覆蓋密集度，提高系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用效率的巨大提升。超密集組網(wǎng)有很多優(yōu)點(diǎn)：用戶可以自己部署小區(qū)，大大降低了建設(shè)宏基站的成本。而且超密集組網(wǎng)的配置更加靈活，能夠徹底解決傳統(tǒng)組網(wǎng)方式的覆蓋盲區(qū)問題。Small cell作為傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)的補(bǔ)充，在密集組網(wǎng)的部署中扮演著重要角色。

1.2 Massive MIMO技術(shù)

Massive MIMO（大規(guī)模MIMO） 技術(shù)指基站配備數(shù)目龐大的天線（一般 100 或幾百根天線），移動終端采用單天線接收的通信方式。在MWC2015大會上，中興通訊采用創(chuàng)新的技術(shù)方案，使得商用4G終端可以在大規(guī)模MIMO基站下使用，而且可以獲得多用戶多流的空分收益，使用戶在不換終端、不等待新的空口標(biāo)準(zhǔn)的情況下，提前體驗(yàn)到5G的優(yōu)越性能。

1.3新型多址技術(shù)

非正交多址技術(shù)（NOMA）改變了原來在功率域由單一用戶獨(dú)占的策略，功率也可以由多個用戶共享，在接收端采用干擾消除技術(shù)將不同用戶區(qū)分開來。濾波器組多載波技術(shù)（FBMC）與傳統(tǒng)的OFDM技術(shù)相比，F(xiàn)BMC技術(shù)改變了子載波波形方案，從而在技術(shù)上可以使用大量濾波器構(gòu)成的濾波器組實(shí)現(xiàn)。稀疏編碼多址技術(shù)主要思想是用戶信息在時域和頻域上擴(kuò)展，然后將不同用戶的信息疊加在一起。

1.4全頻譜接入

全頻譜接入充分利用各種對稱與非對稱頻譜、連續(xù)與非連續(xù)頻譜、授權(quán)與非授權(quán)頻譜提升數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)性能。全頻譜接入技術(shù)會帶來超高速的無線鏈接。在日本和歐洲地區(qū)已經(jīng)率先開展全頻譜接入的實(shí)驗(yàn)和試點(diǎn)工作，同時東南亞地區(qū)正在研究利用先進(jìn)的動態(tài)頻譜接入技術(shù)改善帶寬連接和頻譜利用率。如何優(yōu)化頻譜共享技術(shù)加速實(shí)現(xiàn)商業(yè)部署是全頻譜接入技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。

二、大規(guī)模MIMO技術(shù)特點(diǎn)

LTE/LTE-A中的MIMO技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程如表1所示。

2010年底，貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Thomas L.Marzetta 提出Massive MIMO概念[1]。大規(guī)模MIMO無線通信，在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線，較4G系統(tǒng)中的4（或8）根天線數(shù)增加一個量級以上，這些天線以大規(guī)模陣列的方式集中放置，如圖1所示。

在TDD系統(tǒng)中，基站可以通過信道的互易性來估計(jì)出下行鏈路的信道狀態(tài)信息。由TDD系統(tǒng)信道估計(jì)可知，信道估計(jì)的復(fù)雜度與用戶數(shù)成正比而與基站天線數(shù)無關(guān)。并且TDD系統(tǒng)相對于FDD系統(tǒng)來說，具有時延低、上下行頻帶不對稱以及不對稱速率傳輸?shù)忍匦?，所以在大?guī)模MIMO系統(tǒng)中，TDD模式比較占優(yōu)勢。

天線陣列的變大使得大規(guī)模MIMO系統(tǒng)顯現(xiàn)出許多有別于傳統(tǒng)MIMO 的新特性。

2.1隨機(jī)變化的特性趨于確定

在傳統(tǒng)MIMO中，由于天線數(shù)較少，發(fā)送端和接收端形成的信道都具備各自的個體性和獨(dú)特性，相互之間關(guān)聯(lián)性較小。然而，當(dāng)天線數(shù)增加到無窮時，原本屬于隨機(jī)的信道矩陣，此時各元素間將存在一定的確定性，這樣矩陣可以通過某些方式進(jìn)行分解或者拓展，實(shí)現(xiàn)整體運(yùn)算復(fù)雜度的降低。除此之外，天線陣列的孔徑越大，其精確度也將變得越高。

2.2降低用戶間干擾及不相關(guān)性

隨著基站側(cè)天線數(shù)量的增加，用戶間信道趨于正交，而當(dāng)基站天線數(shù)趨于無窮時，通常嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能的熱噪聲和不相干的小區(qū)間干擾可以忽略不計(jì)。它可以用上百數(shù)量的天線增加有用信號功率，增加信干比。同時避免了基站間的相互協(xié)調(diào)合作，降低算法復(fù)雜度。

2.3提高系統(tǒng)頻譜效率

Massive MIMO無線通信技術(shù)通過大幅提高基站側(cè)的天線數(shù)量，充分利用空間維度無線資源，提高系統(tǒng)頻譜利用率。Massive MIMO可以大幅提升小區(qū)平均頻譜效率和邊緣用戶頻譜效率。從圖2可以看出，小區(qū)用戶平均頻譜效率隨基站天線數(shù)增加幾乎成線性增加趨勢。

三、Massive MIMO的技術(shù)挑戰(zhàn)

大規(guī)模MIMO技術(shù)是提高移動通信系統(tǒng)容量的重要手段，但是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程實(shí)現(xiàn)的角度，仍然面臨著很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)。

3.1信道模型

所有的無線通信系統(tǒng)都需要明確一個相應(yīng)的系統(tǒng)模型，用來作為一個性能評估和對比的基礎(chǔ)。考慮到大規(guī)模MIMO下陣列孔徑受到限制，傳統(tǒng)的線性陣列已經(jīng)不再適用，也許需要拓展到三維空間上的天線陣列。信道模型大規(guī)模化、信道參數(shù)分布隨陣列尺寸的變化、耦合特性、校準(zhǔn)誤差等非理想因素給信道建模工作帶來很多挑戰(zhàn)。

3.2信道信息精確度及算法穩(wěn)定性

大規(guī)模MIMO天線都需要高精度的CSI，信道估計(jì)的精確度、時延以及龐大的反饋開銷及處理將成為影響能否獲得較好增益的關(guān)鍵因素。信道的變化速度、覆蓋環(huán)境的復(fù)雜度、蜂窩信號的干擾強(qiáng)度以及反饋信息的速度，也都是影響大規(guī)模MIMO的效果和成功部署的關(guān)鍵。

盡管對大規(guī)模MIMO已經(jīng)存在大量研究，但其與控制廣播信道的聯(lián)合設(shè)計(jì)以及各算法在實(shí)際復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性，還不具有足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

3.3資源調(diào)度

為了提高系統(tǒng)的容量，在大規(guī)模MIMO中進(jìn)行傳輸時，需要對用戶進(jìn)行天線配對，以形成虛擬的MIMO信道。這一過程就包括用戶之間形成分組，以及基站處天線的選擇。在用戶數(shù)較多時，頻譜資源方面的分配等問題需要重點(diǎn)考慮。同時，由于波束成形的需要，天線設(shè)計(jì)需要將有源電路與天線陣子進(jìn)行結(jié)合，構(gòu)成高度集成化的有源天線系統(tǒng)[5]。

3.4導(dǎo)頻污染

導(dǎo)頻污染作為一個常見的現(xiàn)象并不是Massive MIMO系統(tǒng)所特有的，但是它的影響卻是比在原來的MIMO系統(tǒng)中更為深刻[3]。系統(tǒng)性能將唯一受限于相鄰小區(qū)間重復(fù)使用相同的導(dǎo)頻序列所帶來的導(dǎo)頻污染。

為減小導(dǎo)頻污染，有研究者提出了移位導(dǎo)頻序列的方法。在不同小區(qū)之間雖然使用相同的導(dǎo)頻序列，但是相鄰小區(qū)之間的導(dǎo)頻序列在幀中所處的位置避免相互重疊。這樣即使所有用戶同時進(jìn)行上行鏈路傳輸也不會發(fā)生因?qū)ьl復(fù)用而引起的導(dǎo)頻污染[2]。導(dǎo)頻序列設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

四、結(jié)論

5G通信已成為全球研究的熱點(diǎn)，Massive MIMO由于對系統(tǒng)頻譜效率的巨大提升，目前已成為5G無線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一。導(dǎo)頻污染成了制約整個大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的“瓶頸”，同時也存在很多亟待解決的問題。可以預(yù)計(jì)，Massive MIMO 技術(shù)將成為5G區(qū)別于現(xiàn)有系統(tǒng)的核心技術(shù)之一[7]。

基于Massive MIMO基本架構(gòu)，本文主要探討了5G移動通信的發(fā)展現(xiàn)狀、Massive MIMO系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)以及目前存在的技術(shù)挑戰(zhàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2] 房勝. 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的頻譜效率和導(dǎo)頻污染問題研究[D].杭州電子科技大學(xué)，2014.

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[4] J. Hoydis， S. T. Brink， M. Debbah. \"Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks： How many antennas do we need？\" IEEE J. Sel. Areas Commun，vol. 31， no. 2，pp. 160-171， Feb. 2013

[5]畢奇，謝偉良，陳鵬. LTE多天線技術(shù)發(fā)展趨勢[J]. 電信科學(xué)，2014，10：1-7.

[6 Rusek F， Persson D， Lau B K， et al. Scaling up MIMO： Opportunities and challenges with very large arrays. IEEE Signal Processing Magazine， 2013， 30（1）： 40～60

[7]Larsson E G， Tufvesson F， Edfors O， et al. Massive MIMO for next generation wireless systems. IEEE Commun Mag，2014， 52： 186-195