淺談下一代無線通信技術：大規模MIMO技術

侯艾冰

摘 要：當今，不管對于固定或移動用戶，對無線通信業務吞吐量的需求將會不斷增大，提高第四代無線通信頻譜效率的呼聲越來越大。大規模MIMO（Multiple Input-Multiple output，MIMO）技術是一個能夠滿足這種需求有希望潛在的技術，本文強調了大規模MIMO技術優勢，認為它能比第四代（4G）無線通信明顯提高頻譜效率，最后給出了當前其相關研究難題與未來研究方向。

關鍵詞：無線通信 大規模MIMO 4G

1.概述

未來5年或10年，我們能夠預期得到的就是在一座城市中數百萬增擴的用戶將不斷傳送或者接收視頻，或者說每個用戶各自通信速率為100/s/bit，提高無線通信系統的信道容量成為了當務之急。

M I M O（M u lti ple I n p u tMultiple output）即多輸入多輸出技術，M I M O技術越來越成熟，并納入LTE等新興無線寬帶標準，它擴展了一維智能天線技術，具有極高的頻譜利用率，能在不增加帶寬的情況下成倍提高通信系統的容量，且信道可靠性大為增強，是新一代無線通信系統4 G采用的核心技術之一。

但是面對呈指數上升的無線數據業務量，傳統的MIMO技術并不能滿足當今的大容量高速率要求。基本上，如果在發送端或接收端配備更多的天線，傳播信道就可以提供更多的自由度，更好的數據速率或鏈路可靠性方面的性能就可得到。

基于通過增加天線的數量，能夠進一步獲得更多的增益，簡化所需的信號處理，從而進一步提高通信系統性能的思想，美國貝爾實驗室的T h o m a s L. Marzetta就提出大規模M I M O技術的概念。它的研究結果表明在現實傳播環境下，基于匹配濾波器的非協作大規模M I M O系統，對于2 0 M H Z的信道，每個小區有4 0個用戶，上行和下行鏈路可達到的速率為17Mb/s，每個小區平均的吞吐量能達到730Mb/s，總體頻譜效率為26.5bps/HZ。

2.大規模MIMO技術的概念與模型

大規模M I M O是指在基站天線數目龐大，所使用天線陣列的數量比當今無線通信系統建造的數量多幾個級別，或一百根天線或者更多。大規模M I M O通信系統可以同時服務數量眾多的用戶終端，而在用戶終端配置天線的數量還是單根，只需要對現有通信系統基站天線數量的調整，從而提高系統的頻譜利用率。

大規模M IM O是一項新興的技術，和現在相比向上擴展了M I M O容量的數量級。在大規模的MIM O系統中，利用天線陣列，幾百根天線在同一時域頻域內同時服務于數十個終端。因此它是一個促成未來數字社會的基礎設施，將連接人們的互聯網、物聯網、云及其他網絡基礎設施。可以設想許多不同配置和部署方案用于實際使用的一個巨大的MIMO系統天線陣列模型，如圖1。

3.大規模MIMO技術優勢

（1）大規模MIMO技術可以空前提高幾個級別的頻譜和能量效率，通過直接增加基站的天線數就可使系統容量增加，可以增加容量10倍或更多，同時，提高100倍的輻射能量效率。

（2）一個大規模MIMO系統具有大量盈余的自由度，可提供用于消除故意干擾信號的自由度。例如，用200天線，服務20終端，未使用180度自由度。這些自由度可用于硬件同行信號整形。

（3）大規模MIMO技術通過在基站配置數十或數百根數（或者數千根）低功率的小天線，去服務多個單天線終端，基站天線的數量遠遠大于服務終端的數量，通過數量眾多的天線來將干擾和噪聲平均去掉。

（4）大規模M I M O可以用廉價、低功耗的組件來構建。隨著大規模MIM O出現，傳統系統所使用超線性的價格昂貴50瓦放大器將被數以百計輸出功率在毫瓦特范圍內的低成本放大器所取代。

4.大規模MIMO技術的研究難題與研究方向

4.1大規模MIMO技術的研究難題

為了能使大規模M I M O技術運用于實際，還有很多問題需要研究和解決。下面給出了這些難題。

（1）傳播模型。當前的研究都是在假設大規模MIMO技術依賴可靠良好的傳播環境下，即不同用戶可用的矢量信道應隨著不斷增長的天線數量而漸進正交，但需要更多的實驗支持這種假設。

（2）導頻污染成了制約整個大規模MIMO技術系統性能的瓶頸。在一個大規模M I M O技術系統中理想的情況是每個終端分配一個上行正交導頻序列。然而，可以存在正交導頻序列的最大數目是有上界的，由于信道延遲擴頻劃分的相干間隔持續時間的限制。在多蜂窩系統中很容易用盡正交導頻序列。從一個小區到另一個小區重復使用導頻，帶來相關負面后果的影響，被稱為“導頻污染”，會引起小區間的干擾，減弱系統性能。

（3）低功率眾多硬件的挑戰。在理想情況下，在包含所有電子元器件、信號處理器與小功率放大器的廉價模塊內建造上百個射頻鏈路、上/下變頻器等，這就意味著需要一種全新的設計理念。

4.2大規模M I M O技術未來的研究方向

在無線通信網絡中使用大規模MIMO技術可以巨大提高系統的容量和頻譜效率，這種技術也非常適合應用在包括異構網絡和毫米波通信和其他很多方面。

（1）異構網絡。為了提供更密集的覆蓋范圍和高吞吐量，需要靈活部署低成本的小蜂窩網絡。把大規模M I M O技術融入于異構網絡中，能帶來改進的干擾控制和能量效率，是未來的一個研究方向。

（2）毫米波。另外一種能在容量和頻譜效率得以巨大提升的技術是通過在毫米波進行通信或者在能更廣泛使用的頻譜與帶寬的30兆赫以上。毫米波技術也和異構網絡一樣能把大規模MIMO技術應用其中。

5.結語

在本文中我們強調了大規模 M I M O技術作為未來超越第四代蜂窩通信系統的潛能，它允許在基站和移動終端上使用低成本硬件的特點，該技術在能源效率、頻譜效率、可靠性方面具有巨大的優勢，為了使大規模MIMO技術成為現實，還需要對一些重要問題進行研究解決，比如：信道相關性、硬件應用、小區間干擾處理等。總體而言，大規模MIMO技術將是下一代無線通信系統發展的推動技術之一，將能更高效、節能、安全地使用頻譜。

參考文獻：

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[3]E.G.Larsson，F.Tufvesson，O.Edfors，and T.L.Marzetta.Massive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Commun Mag，2014，vol.52，pp.186-195.