淺析發展5G通信中的大規模MIMO技術

李佩航+王芳

摘要：隨著4G在日常生活中的普及，5G的概念慢慢出現在人們視野，作為下一代蜂窩數據通信，5G將會擁有更強大的數據吞吐量和更高的能量效率，讓用戶體驗到更快的上網體驗。大規模MIMO技術是實現5G系統不可或缺的一環。本文首先介紹MIMO的概念和發展歷程，隨后分析MIMO技術，最后討論MIMO對發展5G的重要性。

關鍵詞：5G；MIMO；信道估計；天線技術；多用戶傳輸技術

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）06-0036-02

1 引言

移動通信網絡經歷了2G、3G、4G的發展，但是隨著移動數據量和接入設備數的激增，這些技術可能無法滿足一些人群的需求，因此，無論是國內還是國外都紛紛把目光集中在發展5G技術上。在發展5G技術的過程中，出現了一些重要技術，大規模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技術就是其中之一[6]。大規模MIMO技術[6]作為21世紀最引人注目無線通信技術之一通過增加基站天線數大幅度提高系統頻譜效率和能量效率，是5G發展過程中不可或缺的一環。

2 MIMO的概念和發展歷程

2.1 MIMO的概念

MIMO是一種以通信系統可以利用天線獨立收發信號為基礎的抽象數學模型。該技術于1908年問世，利用多天線傳輸來抑制信道衰落，顯著提高能量效率和降低誤碼率[6]。不同于最原始的SISO（Single-Input Single-Output）系統MIMO系統根據收發端天線數目的不同可分為以下兩類，SIMO（Single-Input Multiple-Output）系統和MISO（Multiple-Input Single-Output）系統[7]。

2.2 MIMO的發展歷程

MIMO系統在發展過程中經過研究人員的努力不斷完善，從無到有，從簡單到復雜，從低效到高效。在設備容量和利用效率等方面都體現了質的飛躍。MIMO技術的發展歷程主要分為單用戶MIMO技術、多用戶MIMO技術和大規模MIMO技術三個階段[5]。

2.2.1 單用戶MIMO技術

單用戶MIMO技術是一種點對點通信，在發送端和接收端用戶利用多條天線通信，但存在用戶互相干擾的問題，因為若發送端和接收端的多條天線之間互不相關，那么相鄰之間的天線的距離就要大于載波波長。實際上由于設備物理尺寸的限制，實現天線之間互不干擾比較困難。這極大地限制了用戶實際增益，因此人們開始發展多用戶MIMO技術。

2.2.2 多用戶MIMO技術

多用戶MIMO技術就是相較于單用戶MIMO技術是增加了中間連接點，就是基站。一個基站同時服務多個移動終端，而基站之間利用天線和多個用戶進行通信。在消除干擾方面多用戶MIMO技術有明顯的區域區分，消除小區區域內的干擾可以通過時分、頻分、碼分的方法，但消除各小區之間的干擾則要用更復雜的技術，因此限制了頻率效率和功率效率的進一步提高，這加速了大規模MIMO的出現。

2.2.3 大規模MIMO技術

大規模MIMO技術最早由貝爾實驗室于2010年提出。大規模 MIMO 無線通信在基站的有效區域內配備數百十根以上天線，相較 4G 無線通信系統中的 4（或 8）根天線數成倍增加，這些天線以大規模陣列的形式集中放置[3]。大規模MIMO技術通過增加基站天線數在多小區中對多個單天線用戶進行傳輸，充分利用無線資源，顯著提高頻譜效率，是現在發展移動無線通信的重要技術。

3 大規模MIMO技術的技術分析

在大規模MIMO技術中，存在一些主要技術包括信道估計，信道模型與系統性能分析，天線技術和多用戶傳輸技術[2]。

3.1 信道估計

進行相關檢測、自適應傳輸、均衡的前提條件是信道估計，它是大規模MIMO技術的先行條件。在現實生活中由于噪音的隨機性和人群的流動性，信道收到的干擾有很大的隨機性，為了讓大規模 MIMO 技術貼近人們的生活；符合實際的情況；發揮最大的優勢，我們需要對信道進行估計。目前，針對大規模MIMO技術比較成熟的、運用較廣的的信道估計技術包括：基于導頻的信道估計、盲信道估計和基于兩者的半盲信道估計[1]。基于導頻的線性信道估計算法的原理是通過將已知導頻信號合理的加入到傳輸信號，引入冗余，對信道進行估計，具有較低的計算復雜度而且方便實現，適用于時變信道[1]。但是由于估計需要大量的導頻信號，在傳送過程中不能完全避免導頻污染的影響。而盲信道估計算法原理則是基于信號數理特性來實現信道估計，沒有用到導頻，對用戶進行區分，可以避免導頻污染的影響。但是這種估算復雜度高，并不適用于實際工程。基于兩者的半盲信道估計則是融合了前兩種方法的優點，一定程度上的規避了缺點。

3.2 信道模型與系統性能分析

進一步無線通信系統設計的基礎是信道模型與系統性能分析。在大規模MIMO無線通信中，通過成百十根的天線被裝配在基站側，傳輸信道的空間分辨率得到進一步提高。但需要注意的是，現今對MIMO的研究中經常把MIMO信道看做IID（獨立同分布）信道來研究，這是一種理想狀態，實際測量后發現并不能將信道等同于IID信道，而且大量的信道能量集中在有限的空間范圍內，也會對分析結果造成影響[2]。所以需要大規模MIMO針對具體的環境進行實際測量，再進行建設符合實際情況的模型。

3.3 天線技術

在大規模MIMO系統中，需要為基站配置幾十條甚至上百條的天線，所以天線的配置顯得尤為重要，配置方式不同系統模型也會不同。一般情況下，天線配置方式可分為兩大類：集中式大規模天線系統和分布式天線系統[1]。所謂集中式就是所有天線都被集中分配在一個基站上；分布式則是天線分布在多個不同的節點上。這兩種方式有相同的地方就是通過增加天線的個數深度挖掘空間中的無線資源使得通信的效率和容量得到顯著改善。當天線數量增大到一定程度，對信號處理操作和計算復雜度要求就不會太高，線性編碼和檢測器會以趨于最優化的性能進行工作。而且波束可以集中在很窄的區間內來降低其它信號的干擾，降低基站的密度，節約空間資源。endprint

3.4 多用戶傳輸技術

由于實際技術的不完善用戶端和基站側無法獲取完整的信息瞬時狀態，當前的 MIMO系統傳輸方案大多是由貝爾實驗室提出的初步方案[4]。即基站側通過TDD（Time Division Duplexing）系統、鏈路正交導頻獲得信道參數估計值和上下行鏈路互易性[2]。但是這種方法也存在缺陷，把信道估計值當做真實值進行上下行傳輸，無法保證傳輸的魯棒性，因為單個有用戶僅配備單根天線，頻譜效率會因為系統的用戶過少而降低[2]；除此之外，大規模MIMO還面臨以下困難：通信系統進行信號檢測、預編碼傳輸、高維矩陣求運算的難度高；對FDD（Frequency Division Duplexing）系統有適用性要求，用戶獲得信道信息難[2]。因此大規模MIMO技術還是面臨著很嚴峻的挑戰。

4 大規模MIMO對發展5G的重要性

在5G無線通信領域中，大規模MIMO無線通信利用多天線收發信息使功率利用率、系統頻譜利用率得到顯著提高，為5G達到更快、更穩定的目標打下堅實的基礎，是實現5G無線通信的必不可少的一環。大規模MIMO的實現可以節約大量的空間資源，提高資源利用率，從而為進一步發展無線通信做好準備。

5 結語

伴隨著5G勢不可擋的腳步，大規模MIMO技術受到無線通信研究人員的青睞，為新一代的通信系統打開大門。但不可否認的是，當前的大規模MIMO技術還處于起步階段，亟待解決的問題還有很多。部分功能還處于理論階段，需要我們不斷探索這廣闊的發展空間。

參考文獻

[1]傅莉.大規模MIMO技術及應用[J].福建電腦，2017，（03）.

[2]龐雪蓮.5G中大規模MIMO技術研究[J].電子世界，2015，（14）.

[3]楊中豪，王瓊，喬寬.面向5G的大規模MIMO技術研究進展[J].廣東通信技術，2015，（05）.

[4]尤力，高西奇.大規模MIMO無線通信關鍵技術[J].中興通信技術，2014，（02）.

[5]邵斌.FD-MIMO系統關鍵技術研究[D].北京郵電大學，2015.

[6]李艷蘋.正交頻分復用系統時頻同步算法的研究[D].哈爾濱理工大學，2012.

[7]張溫姝.多載波頻偏下分布式空時編碼系統的符號檢測和容量問題研究[D].2007.

Abstract：With the popularity of 4G in daily life， the concept of 5G gradually appeared in the horizon， as the next generation of cellular data communication， 5G will have more powerful data throughput and higher energy efficiency， allowing users to experience faster Internet experience. Massive MIMO technology is an integral part of the implementation of 5G system. This paper first introduces the concept and development of MIMO， then analyzes the MIMO technology， finally discusses the importance of the development of MIMO 5G.

Key Words：5G； MIMO； channel estimation； antenna technology； multiuser transmission technologyendprint