大規模MIMO系統傳輸關鍵技術的研究進展

歐陽潔

摘 要 大規模MIMO技術是基于傳統MIMO技術創新發展下形成的無線通信技術，在通信領域中對提升通信質量與效率具有積極影響作用，是面向5G無線通信進行研究的重要技術手段。文章從大規模MIMO的原理出發，對大規模MIMO系統傳輸關鍵技術的難點與改建方案進行了簡要分析，以供參考。

關鍵詞 大規模MIMO系統；系統傳輸；關鍵技術

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）217-0119-02

物聯網的興起與移動智能終端、移動互聯網業務創新發展，對無線通信傳輸速率、質量與效率提出了更高的要求。實現移動通信系統通信可靠性、低功耗、同時頻多用戶服務的協調發展，成為新時期移動通信系統構建的客觀需求與必然趨勢。在此背景下，可應用大規模MIMO系統傳輸技術，進行空間無線資源的挖掘與無線傳輸功率效率的提升。因此，大規模MIMO系統傳輸技術應成為提高系統高頻譜效率，面向5G無線通信發展的關鍵技術之一?；诖耍斜匾獙Υ笠幠IMO系統傳輸技術進行研究，用以促進大規模MIMO系統傳輸技術優化發展。

1 大規模MIMO的原理

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術主要是指反射端與接收端分別利用多個反射天線與接受天線，進行信號的傳送與接受，對提升空間天線資源利用率，提升無線通信系統通道容量具有重要現實意義[ 1 ]。多輸入多輸出（MIMO）技術最早是在1908年由Marconi提出并得到深入研究與廣泛應用，并成為3G/4G通信系統建設與發展過程中至關重要的技術。

就目前無線通信系統實際發展現狀來看，無線通信系統通常由一個BS（base station，基站）與多個MS（mobile station，移動用戶終端設備）共同組成。因此，在實際通信過程中，需要實現多用戶MIMO。而在多個小區MIMO條件下，小區內存在的干擾信號雖然可以通過應用時分、頻分、碼分等技術進行控制或消除，但是其整體效果并不理想，需要應用更為復雜的技術進行處理，如MLMUD（Maximum Likelihood Multi-User Detection，最大似然多用戶檢測）與DPC（Dirty Paper Coding，臟紙編碼）技術進行處理[2]。在此過程中，需要進一步提升MIMO系統頻譜效率與功率。

與此同時，隨著物聯網的興起以及移動智能終端的不斷增多、移動互聯網業務的創新發展，無線通信領域對移動通信系統提出了更高的要求，增強系統通信容量成為必然訴求。對此，在4G通信的基礎上，進行了5G通信定義，提出大規模MIMO概念。而大規模MIMO的基本原理在一定程度上與相控陣雷達技術中的DBF技術存在相似性，即通過加權合成實現目標方向的效率效益提高，實現非目標方向效益效率的降低，進行干擾方向置零處理。不同之處在于大規模MIMO從信號處理層面入手，進行具體實踐。

2 大規模MIMO系統傳輸關鍵技術的研究進程

2.1 大規模MIMO系統優勢分析

相對與傳統MIMO系統而言，大規模MIMO系統可實現空間維度資源的深度挖掘，是同一基站覆蓋范圍呃逆多個用戶實現同一時頻內的有效通信，并在不增加基站目與無線帶寬的基礎上，實現高頻譜效率的提升。與此同時，大規模MIMO系統傳輸技術在實踐應用過程中，所形成的波束相對較窄，適用于小空間通信，促進基站與用戶設備之間傳輸鏈路上能量效率的增強，實現低功率基站信號發射。此外，大規模MIMO系統傳輸技術的魯棒性能相對較好，則可實現系統空間自由度的提升，并在信道布置中形成零空間，實現干擾信號的有效防控與消除。

2.2 大規模MIMO系統傳輸關鍵技術特征、難點與改進方案

就FDD（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）MIMO系統而言，在FDD MIMO系統中，基站覆蓋范圍內的用戶設備可預先進行下行通道的科學評估，并在此基礎上通過帶寬有限反饋鏈路，實現所評估信道量化碼本索引在基站上的有效反饋[3]。與此同時，基站通過應用得到的通信鏈路信道屬性（Channel State Information，CSI）使FDD MIMO系統使用當前信道條件，保證通信的穩定性與可靠性。此外，通過計量波束成型矢量（下行鏈路）進行FDD MIMO系統傳輸性能與信號抗干擾性能的提升。

但是由于FDD MIMO系統中，隨著基站天線數量的不斷增多，所需要的下行信道估計導頻開銷也就越大（通常情況下二者成正比例關系）。但是，在FDD MIMO系統中，為提升基站與用戶設備之間的通信效率，基站不同發送天線的導頻應存在正相交特征，對此基站天線數量相對較多。因此，FDD MIMO系統的構建與應用需面對如下挑戰。

其一，在有效的導頻開銷條件下，系統將無法滿足基站大規模天線正交導頻要求。

其二，隨著用戶設備端帶評估信道規模的增加，對用戶設備端本身性能提出了更好的要求，加大用戶設備負擔，降低用戶設備使用壽命。

其三，用戶設備在將所評估的信道的量化碼本索引進行基站反饋時，由于反饋量相對較大，對系統性能、系統導頻開銷存在較高要求。

因此，在對大規模MIMO系統傳輸關鍵技術進行研究時，關于FDD模式的大規模MIMO系統研究相對較少，更側重于TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）MIMO系統的研究與應用。TDD系統不需要成對的頻率就能夠進行各頻率資源的有效應用，其上行鏈路與下行鏈路信道的互易性相對較強，信道估計的復雜程度與基站天線數不相關，與用戶設備數量存在正比例關系，但不會對用戶設備使用情況產生消極影響[4]。相對而言TDD系統的優勢更為明顯，實用性更強。

就TDD系統而言，TDD系統利用信道所具有的互易性，實現了同一頻率信道不同時隙的信息接收與發送，并可進行上行與下行時刻轉換的靈活設置，滿足不對稱互聯網網業務需求。因此，在TDD系統中傳統的大規模MIMO系統傳輸方式已經不再適用于該系統，進行大規模MIMO系統傳輸技術完善與傳輸方案創新改革成為必然趨勢。在此過程中，需要對大規模MIMO系統傳輸技術應用過程中存在的難點進行分析，采取行之有效的措施與方法實現問題的解決。

通常情況下，在大規模MIMO系統傳輸技術應用過程中，導頻污染是影響最大的導頻瓶頸問題。在傳統MIMO系統傳輸過程中，由于基站天線數量相對較少（4G環境下4～8根左右），導頻污染、環境噪聲、干擾信號等皆對系統性能存在較大的影響，但是隨著基站天線數量的不斷增加（面向 5G的大規模MIMO系統傳輸基站天線數可達到成百上千根），環境噪聲與干擾信號的影響減少，在一定程度上可忽略不計，對此導頻污染問題愈發凸顯，成為制約大規模MIMO系統傳輸技術應用的主要影響因素。與此同時，在TDD系統中，導頻時長需要比信道相干時間要小，但是由于導頻頻域寬度在一定程度上與用戶設備端上行帶寬存在關聯性，需要滿足小區用戶設備之間通信的導頻需求，對此大規模MIMO系統傳輸技術在實踐應用過程中需要對全面頻率復用進行綜合分析，實現所有小區對頻率資源的有效應用。但是在以優先保證小區內用戶設備導頻正交時，則無法保證上述目標的有效達成，基站在導頻污染問題影響下，不能做出準確評估，從而影響大規模MIMO系統應用的整體質量與效果。對此，為降低導頻污染問題對大規模MIMO系統傳輸關鍵技術應用的影響，可進行如下方案設計與實踐。

首先，組織開展小區協作發展策略，實現MMSE準則（最小均方誤差準則）下波束成型，改善小區內部存在的信號干擾問題。

其次，調整導頻分配方案，如事前對多小區進行科學分組，并在此基礎上進行導頻發射與導頻接收的雙向互動，避免出現同一時間內所有小區用戶設備向基地發送/接收導頻現象的產生。此外，引用高校信道估計技術與方法，如壓縮感知技術，降低導頻開銷。

3 結論

總而言之，大規模MIMO系統傳輸技術是在傳統MIMO技術延伸下形成的新興技術，對提升無線通信系統頻譜功率效率具有積極影響作用。由IMT-2020（5G）推進組提出的“5G概念”可知，大規模MIMO系統傳輸技術已經成為5G無線通信領域研究與發展的關鍵技術。本文通過介紹大規模MIMO系統原理，分析大規模MIMO系統關鍵技術難點與改建方案，用以對大規模MIMO系統傳輸技術具有更為深刻的認知與了解，促進技術在無線通信領域中的優化應用。

參考文獻

[1]王茜竹，邱聰聰，黃德玲.面向5G的大規模MIMO關鍵技術研究分析[J].電子技術應用，2017，43（7）：24-27.

[2]張雷，代紅.面向5G的大規模MIMO技術綜述[J].電訊技術，2017，57（5）：608-614.

[3]欒帥，馮毅，張濤，等.淺析大規模MIMO天線設計及對5G系統的影響[J].郵電設計技術，2016（7）：28-32.

[4]韓玉楠，李軼群，李福昌，等.Massive MIMO關鍵技術和應用部署策略初探[J].郵電設計技術，2016（7）：23-27.