大規模MIMO在5G通信系統中的應用

楊亞男

摘 要：大規模MIMO系統在能源效率、頻譜效率、魯棒性和可靠性方面有著巨大的優勢。它允許在基站和移動終端使用低成本的硬件，可以使容量增加的同時提高輻射能量效率，顯著降低在空中接口上延遲。但也存在一些現實的限制因素，包括信道的互惠性，導頻污染問題以及無線傳輸和信道特性。本文介紹了實現該技術的全部潛力和面臨的挑戰，例如，導頻污染、計算復雜度、低成本硬件的問題以及分布式處理算法的實現問題。大規模MIMO系統的信號處理方法不需要再采用復雜的非線性設計來避免干擾，而只需要簡單的線性設計即可實現較好的系統性能。比如在預編碼方法研究方面：傳統的MIMO系統中一般研究非線性預編碼方案，比如DPC（dirty-paper coding，臟紙），而大規模MIMO中一般采用線性預編碼，比如MRT（最大比發送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方誤差）。

關鍵詞：大規模MIMO；導頻污染；信道特性；空中接口 ；部署方案

第一章 緒論

1.1 5G 通信的特性

蜂窩網絡的發展主要受無線用戶設備的持續增長，數據使用量， 以及對更好的體驗質量的需求的影響。預計到 2020 年底，將有超過 500 億個連接設備使用蜂窩網絡服務，與 2014年相比，這將導致數據流量的巨大增長。但是，最新的解決方案不足以應對上述挑戰。總而言之， 3D（Device、 Data、 Data 傳輸速率）的增加促進了 5G 網絡的發展，具體來說，蜂窩網絡的第五代（5G）將突出并解決三個廣泛的觀點，如：以用戶為中心、以服務提供商為中心、以網絡運營商為中心

1.2 目前移動通信的局限性

4G 網絡不足以支持具有低延遲和顯著頻譜效率的大規模連接設備。

不支持突發數據流量：有些移動應用程序會發送心跳消息到服務器，有時會在很短的時間內請求非常高的數據傳輸速率。這種類型的數據傳輸更多地消耗了（移動）用戶設備（UE）的電池壽命，同時增加網絡中的突發數據，可能造成核心網絡崩潰。

基站處理能力的低效利用率：在當前的蜂窩網絡中，基站（BS）的處理能力只能由其關聯的 UE 使用，并且它們被設計為支持峰值時間業務。然而，當輕載時， BS 的處理能力可以在大的地理區域上共享，網絡的總成本增加。

1.3 5G 通信無線傳輸的關鍵技術

一個就是多址，多址技術指的是解決多個用戶同時和基站通信的問題，怎么來分享資源的技術，第一代通信采用的是FDMA技術，第二代通信采用的是TDMA技術，第三代通信采用的是CDMA技術，第四代通信采用的是OFDMA技術。

另一項關鍵技術就是多天線，現在比較火的是MIMO技術，大規模MIMO技術不僅能夠在不增加頻譜資源的情況下降低發射功率、減小小區內以及小區間干擾，還能實現頻譜效率和功率效率在4G 的基礎上再提升一個量級。此外，射頻調制解調技術也屬于關鍵技術。

1.4 大規模MIMO的簡介

5G（后4G）時代，小區越來越密集，對容量、耗能和業務的需求越來越高，現有4G蜂窩網絡的多天線技術（8端口MU-MIMO、CoMP）很難滿足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大規模天線陣列（比如數百個天線或更多）可以帶來很多的性能優勢。這種基站采用大規模天線陣列的MU-MIMO被稱為大規模天線陣列系統（Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO）。

關于大規模MIMO，我們考慮使用上百根的天線陣列在同一時域資源中同時服務數十個終端設備。大規模MIMO的基本前提是獲得傳統MIMO的所有優點，但規模更大。總的來說，大規模的MIMO是未來寬帶（固定和移動）網絡發展的推動力，大規模MIMO系統所使用的實際天線陣列不同的配置和部署方案。

第二章 大規模MIMO的潛力

2.1增加系統容量和輻射能量效率

大規模MIMO可以使容量增加10倍以上，同時提高100倍的輻射能量效率。容量增加是由于大規模MIMO中采用了空間復用技術。能量效率顯著提高是因為隨著大量的天線，能量可以聚焦于空間的小區域。

最大比合并（MRC）與ZF相比，其吸引力不僅在于它的計算簡單性（接收信號的共軛和信道響應相乘），而且還可以獨立地在每個天線單元上以分布式方式執行。

2.2顯著降低在空中接口上延遲

無線通信系統的性能通常受到衰落的限制。衰落使接收信號強度在某一時間內變得非常小。信號從基站通過多徑信道到達終端時衰落，這些衰落是由多徑信道的干涉引起的。正是這種衰落使得構建低延遲無線鏈路變得困難。如果終端被困在衰落中，則必須等待傳輸信道發生變化，使終端能接收到數據。

2.3低成本、低功耗的組件構造

大規模MIMO是一種在理論、系統和實現方面不斷變化的技術。隨著大規模的MIMO發展，用于傳統的系統的昂貴的超線性50 W放大器被替換為數百個低成本放大器，輸出功率在微瓦范圍內。大規模MIMO降低了每個放大器和RF鏈的精度和線性的限制。這使得大規模MIMO對衰落具有彈性，這也使得該技術對一個或幾個天線單元的故障具有魯棒性。

2.4簡化了復雜的接入層

由于大數定律，信道變得固定，因此頻域調度不再有效。在OFDM中，大規模MIMO系統中的每個子載波具有基本相同的信道增益。每個終端都被賦予整個帶寬，這使得大多數物理層控制信令冗余。

第三章 大規模MIMO的限制因素

3.1 信道互惠性

為了充分獲得大規模MIMO的波束形成增益，不需要對終端上行鏈路和下行鏈路鏈進行校準，基站設備被校準后，天線陣列將向終端發送相干波束（在終端的接收器鏈中仍然會有一些不匹配，但這可以通過傳輸導頻信號來解決，這些輔助的導頻信號的開銷非常小。）不需要天線陣列進行校準。它可能會完全放棄互易校準的陣列，例如如果上行和下行鏈之間的最大相位差小于60？，相干波束形成仍會出現（至少有最大比傳輸波束形成）盡管降低3分貝的增益。

3.2導頻污染

從一個小區到另一個小區重復使用到導頻產生的負面影響被稱為導頻污染。由于信道估計受干擾，下行鏈路傳輸也對那些共享同一導頻序列的終端產生干擾。在相同的速率下，干擾隨著天線的數目的增加而增加。即使部分導頻序列相關也會導致干擾，導頻污染問題必須要解決。有這么幾種方案：

a. 可以優化導頻的分配。

b. 巧妙的信道估計算法。

c. 新的預編碼技術。

3.3 無線傳輸和信道響應

大規模MIMO很大程度上依賴于無線電環境的特性，稱為有利傳播。簡單地說，有利傳播意味著從基站到不同終端的傳播信道響應是完全不同的。為了研究大規模MIMO系統的特性，必須利用真實天線陣列進行信道測量。

在大規模MIMO 系統中，基站配置有大量天線，MIMO 傳輸的空間分辨率顯著提高，無線傳輸信道存在著新的特性，在給定的信道模型和發射功率約束下，可為傳輸系統的優化設計、頻譜效率及能量效率等性能評估提供重要的依據。

第四章 總結

在這篇文章中，我們展現了大規模MIMO系統作為第五代（5G）蜂窩系統的關鍵技術的巨大潛力。該技術在能源效率、頻譜效率、魯棒性和可靠性方面有著巨大的優勢。它允許在基站和移動終端使用低成本的硬件。在基站上，昂貴、功能強大的硬件被大量低成本、低功耗的硬件組合所取代，而如何實現該技術的全部潛力仍面臨著挑戰，例如，計算復雜度、分布式處理算法的實現以及天線單元的同步。這給學術界和工業界的研究人員提供了一個全新的研究問題的金礦。