大規模MIMO技術在5G中的應用研究

李曉宇，王 磊，羅海港，李超杰

（中國通信建設集團設計院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

5G的主要需求之一是需要支持比LTE網絡約1000倍的更大系統容量，但是要與目前蜂窩系統有相9似的成本和能量損耗。為了滿足5G的高容量需求和高功率效率，就需要從以下三方面考慮：更寬的頻譜、區域內更多基站、提升小區頻譜效率。大規模多輸入多輸出（MIMO）技術是5G通信系統的核心技術，能夠深度挖掘空間維度資源，大大提高了每小區的頻譜效率，同時，大規模MIMO能夠將波束集中在很窄的范圍內，并且大幅降低發射功率，進而降低干擾，提升功率效率。

本文從首先從大規模MIMO技術的原理及優勢進行了分析，然后介紹了大規模MIMO技術面臨的困難，最后對其典型應用場景及對5G系統的影響進行了分析總結。

1 大規模MIMO技術

大規模MIMO系統通常被定義為至少在無線通信鏈路的一側（通常在基站側）配置數十乃至數百根可單獨控制的天線元件系統。在基站側的大規模MIMO的使用示例如圖1所示：

圖1 具有大規模MIMO基站的多用戶和單用戶

大規模MIMO除了用于接入鏈路之外，還可以再多Gb/s回程鏈路方面發揮關鍵作用，這些回程鏈路可以部署再頻分以及時分雙工系統中的基礎設施節點之間。

1.1 大規模MIMO技術原理

大規模MIMO網絡利用天線提供的空間自由度（DoF），通過從各天線點發射相同的信號，且給每個天線施加不同的相移，可以在相同的時頻資源上為多個用戶復用信息，將輻射的信號聚焦到目的用戶，最小化小區內和小區間干擾。

相關研究已經表明，當小區的基站天線數趨于無窮時，不同用戶之間的信道將趨于正交，加性高斯白噪聲、小尺度衰落等負面影響可全都忽略不計，單用戶吞吐量僅受限于其他小區中采用相同導頻序列的用戶的干擾，系統吞吐量較傳統MIMO系統提升1個數量級以上。

MIMO系統框圖如圖2所示，包含N個發射天線，M個接收天線。其中，發射端信號s被分成N路子信息流進行傳輸，并經過調制和射頻前端處理后以相同頻率分別經N副天線同時發射出去。通過無線信道的散射傳播，不同子信息流從不同路徑到達接收機，由M副天線接收，接收機采用先進的信號處理技術對各接收信號聯合處理，即可恢復出原始數據流。

圖2 MIMO系統框圖

發射和接收多天線系統是大規模MIMO無線系統的重要組成部分，其直接影響到MIMO信道的性能。因此，實現高性能的MIMO系統不僅依賴于多徑傳播的豐富度，還取決于多天線單元的合理設計。

1.2 大規模MIMO技術優勢

大規模MIMO系統應用了多天線技術，并且具有更多的發射天線和接收天線，有非常明顯的優勢。下面從從香農公式的角度驗證分析一下大規模天線技術的優勢及增益來源。香農公式如下：

（1）實現空間復用：大規模天線技術從另一方面來講相當于提高了香農公式的變量B。由于大規模MIMO系統傳播信道的不相關性，多個數據流能夠通過相同時頻資源的不同空間傳播路徑進行傳輸，因此，可以成數十倍的擴展帶寬B，大幅提升了頻譜效率。

（2）提升信噪比：各組天線通過波速賦性技術能夠定向發射信號，提高信號強度，從而提高了香農公式的S/N。信噪比的提升對于5G中的高頻段通信至關重要，能夠有效克服高頻段通信衰減較快問題，并且能夠大幅降低時延。

（3）降低發射功率，硬件成本降低：由于用戶信號是經過多個發射天線的信號疊加而成，因此各天線單元僅需很小的的發射功率，有效減弱了網絡干擾問題。

2 大規模MIMO技術面臨挑戰

大規模天線技術作為5G的核心技術之一，得到了學術界和工業界的高度重視，并且進行了大量研究。但是仍然存在一些挑戰。其中，最大的挑戰在于在發射機側需要準確的知道信道狀態信息（CSI）。原則上，可以通過從各天線元件發射的正交導頻信號（參考信號）以及從接收機到發射機反饋的空間信道信息來獲得CSI。但是該方法具有一些缺點：一是所需的CSI的導頻信號開銷隨著發射天線的數目呈線性增長。二是在發射機獲得CSI的的另一種方式是利用信道的互易性，而利用互易性的成本是其需要進行陣列校準以便考慮不同天線元件的發射和接收射頻鏈中的差異。三是在時變信道中，導頻傳輸、信道估計、信道反饋、波束成形器計算與實際波束形成的數據之間的延遲將會降低大規模MIMO的性能，而使用信道預測技術來減少這種延遲。

大規模MIMO的另一個挑戰是對多小區多層網絡設計的影響。其中一個問題是存在導頻污染的影響。相關文獻已經驗證了在多天線系統中分配給導頻信號和數據傳輸的時間、頻率、碼、空間和功率資源之間存在一種權衡。但是在多小區多用戶大規模MIMO系統中，導頻數據資源分配權衡與導頻和數據信號上的小區間干擾（也成為污染）的管理相互影響，因此就需要重新思考如何設計傳統系統中的導頻信號。

另外，由于天線陣列的大小，實踐中的小小區密集部署導致在網絡中使用大規模MIMO比較困難。此問題已經都得到了有效解決，一種方法是在宏基站側部署大規模MIMO，在宏小區和小小區之間同信道部署的情況下，利用空間自由度（DoF）降低宏小區和小小區之間的干擾；另一種方法是在小小區側部署大規模MIMO，特別是在高頻系統中，小天線尺寸允許根據實際部署大規模天線陣列。

針對以上大規模MIMO天線系統面臨的挑戰和問題，目前很多機構還在不斷研究和改善不同的技術解決方案，希望充分釋放大規模MIMO系統的優勢，在5G中能夠有效的使用大規模MIMO技術。

3 大規模MIMO技術典型應用場景

熱點場景：目前經相關研究統計發現，數據業務量的特點是在20%的熱點區域內承載著70%以上的數據流量。例如商業中心、交通樞紐、大學校園、居民樓等都具有同樣的特點：人流密度大、話務負荷高、容量不足等。因此，大規模MIMO技術可以依托自身優勢提供較高的空間復用增益和較強的波束賦性能力，較好的改善和這些區域的高容量需求。

3D覆蓋場景：像高層建筑類場景，此類場景網絡覆蓋一般情況比較差，且如何增強覆蓋也面臨很多挑戰。其一，若采用多個天線增強高層覆蓋面臨站點較難獲取的問題；其二、信號經過穿透墻壁后會嚴重衰弱；其三、上行信號傳輸增加了建筑物中的小區間干擾。為了解決上述問題，大規模MIMO技術可以發揮自身特點，在垂直面采用大規模天線陣列、能夠明顯增強對高層建筑的覆蓋；同時采用波束賦性技術能夠彌補穿透墻壁帶來的高損耗；另外，還能夠靈活的按需求對波束寬度和方向進行調整，降低小區間干擾，增強3D場景的覆蓋和容量。

4 大規模MIMO技術對5G系統的影響

大規模MIMO天線技術的應用勢必會給5G系統帶來很大的影響。下面主要從天線單元數量、TDDFDD工作模式、天線頻段三方面簡單介紹一下其如何對5G系統產生影響。

天線單元數量：MIMO系統的容量會隨收發兩端的天線的最小數量呈線性增長。原理上來講，收發兩端配置的天線數越多，傳播信道就會擁有更高的自由度，系統就會表現出更優的性能、更高的可靠性和更大的系統容量。然而，由于其他物理條件限制，如信號處理方面的能源消耗、愈加復雜的硬件系統等，因此在實際中天線的數量也不能任意大。相關研究已經驗證，在實際中，當天線數量達到某一值時，系統容量會趨于穩定。

TDD/FDD模式：目前5G系統的研究大部分是在TDD模式下進行的，其與信道估計的開銷大小有一定關系。對于TDD系統，上下行傳輸使用相同的頻段，由于信道互易性特點，只需要對上行鏈路進行信道估計即可。而對于FDD信道，上下行使用的不同頻段，CSI也不同，因此就需要對其分別進行信道估計。然而若天線數量進一步增加，下行信道估計會變的極其復雜。同時，業界已經驗證當在毫米波頻段，會大幅度降低信道估計的開銷。因此，后期有望實現大規模MIMO和FDD系統相結合。

天線頻段：5G系統采用的高頻段通信，帶寬較寬，能夠顯著提升系統的容量和頻譜效率。但是毫米波的傳播不遵循瑞利信道衰落模型，其更傾向于視距傳播和近視距傳播。另外，毫米波會導致更高的多普勒偏移。

5 結束語

鑒于大規模MIMO技術在5G系統中的重要性，本文對大規模MIMO技術從原理、優勢、挑戰、應用場景、對5G系統的影響等幾個方面進行了詳細的分析總結，希望對5G的網絡規劃有一定的參考。