基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的5G通信研究

徐嵩禹

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基于大規(guī)模MIMO技術(shù)的5G通信研究

徐嵩禹

中郵建技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210012

現(xiàn)如今多輸入多輸出(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。本文重點(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)。

5G；大規(guī)模MIMO；導(dǎo)頻污染

1 5G通信研究現(xiàn)狀

1.1 超密集組網(wǎng)

超密集組網(wǎng)通過增加基站個(gè)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。Smallcell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(gè)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(shí)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(shí)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。

2 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

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(shí)延低、上下行頻帶不對稱以及不對稱速率傳輸?shù)忍匦裕栽诖笠?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(gè)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(shí)，原本屬于隨機(jī)的信道矩陣，此時(shí)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(shí)，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(shí)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1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。

3 Massive MIMO的技術(shù)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(gè)相應(yīng)的系統(tǒng)模型，用來作為一個(gè)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)。

圖1 扇區(qū)平均頻譜效率

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(shí)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(shí)，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(shí)，頻譜資源方面的分配等問題需要重點(diǎn)考慮。同時(shí)，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)。

3.4 導(dǎo)頻污染

導(dǎo)頻污染作為一個(gè)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。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(shí)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。

4 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(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)性能的“瓶頸”，同時(shí)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。

[1]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.

Research on 5G communication based on large scale MIMO Technology

Xu Songyu

China Post Construction Technology Co., Ltd.,Jiangsu Nanjing 210012

Nowadays multiple input multiple output (MIMO) technology is developing rapidly, which has important significance in improving spectrum efficiency and reducing power consumption of wireless communication system. This paper focuses on the research status of 5G communication, the technical characteristics and technical challenges of large-scale MIMO system.

5G; large-scale MIMO; pilot pollution

TN919.3;TN929.5

A

1009-6434（2016）12-0070-02