大規模MIMO 無線通信關鍵技術

薛國浪 張金才 福建省郵電規劃設計院有限公司

引言

目前，無限通信技術取得了顯著的發展成果，雖然4G 通信的速率已經非常高，但是為了持續完善信號傳輸的品質，降低信息傳輸中的能耗，移動通信領域已經逐漸推出了5G 的通信技術。這一發展目標的實現需要以大規模MIMO 技術作為支持，該技術消除了傳統MIMO 技術中的很多問題，配置更多的天線來改善信號傳輸的品質，深入挖掘空間維度的資源，提高通信系統的頻譜，消除信息傳輸中的各種復雜性，雖然該技術目前仍舊在探索發展中，但是已經成為未來通信系統設計和發展的趨勢。

一、大規模MIMO 技術

作為一種高速率的無線通信手段，MIMO 技術始終處于持續發展的狀態，具體是指利用數個發射和接受天線，在不改變發射功率、不擴展頻譜資源的前提下，就實現通信品質的提升。因為該技術具有極大的實踐優勢，所以在市場需求的激勵下獲得了高速發展，雖然4G 技術已經具備非常高效的傳輸速率，但仍舊無法適應當前社會對于無線通信的需求，這是因為以往的MIMO 技術能耗過大，而且需要復雜的計算過程，存在延時問題等。所以，在這樣的背景下，逐漸發展出了大規模的MINO 技術，通過增加天線數目實現更高效暢通的無線通信過程，只是需要改造基站狀況，并不需要對智能終端進行更新，用最小的成本來擴展系統的頻帶利用效率。總體而言，大規模MIMO 技術的優勢如下：

第一，以往的MIMO 技術中，信號覆蓋的面積較為有限，以8 天線為例，信號往往只能水平方向覆蓋，而無法擴展到垂直的方向，相對于所有的信號呈平面狀發射，而在大規模MIMO 技術中，不僅可以水平發射信號，還引入了垂直的信號發射維度，整個信號的傳輸狀態類似于電磁波束，極大地擴展了網絡容量。

第二，因為天線的數量增加，在信號發射中會產生信號疊加的情況，而每個單獨天線所需的功率非常小，不必通過功率放大器，有效地降低了硬件設備的成本。

第三，與有線的通信傳輸過程不同，無線信號的傳輸路徑較為復雜，傳輸信道具有一定的隨機性，可能會出現信號延時的情況，但是在大規模MIMO 技術的支持下，信道的品質非常穩定，簡化了信號傳輸中的復雜性，抗干擾能力增強，避免了延時情況的發生。

二、大規模MIMO 無限通信的重要技術

（一）多用戶傳輸技術

這是MIMO 技術持續更新和發展的保障，也是當前所面臨的主要技術挑戰，為了實現高效的傳輸過程，就需要提升基站與智能移動端獲得信道信息的水平，這直接決定著通信過程中多用戶傳輸技術的應用。就當前的實際情況中，對于基站或者用戶端而言，基本都無法及時獲取全面的信號，很多系統中都在使用貝爾實驗室提供的方式，來設計信道傳輸的形式，也就是通過TDD系統來完成傳輸過程，該系統具有明顯的優勢特征，比如上下行信道的互易。需要先認定從信道中獲得的參數估計值，將其作為真實數值，同時據此來處理相關業務，比如接受上行的信息，同時完成信息的傳輸的過程。在這樣傳輸方案中，基站很容易就獲得信道的狀態信息，但是隨著用戶端的持續增加，整個處理過程變的非常復雜，該方案幾乎不再適用，所以該問題逐漸成為技術瓶頸，還在持續探索和研究中。

（二）信道估計

無限信道是影響通信品質的關鍵因素，受各種遮擋物和外界氣候的影響，在信號傳輸中容易出現慢衰落的問題，也就是說，信號的傳輸路徑存在復雜性，具有不可預見的特性。為了保障信道的品質，就需要進行信道估計，通過信道的各項信息來估計信道的模型參數，進而調整信號信息，這是衡量通信系統品質關鍵因素。目前常用的信道估計方式有三種：一是盲估計，也就是利用傳輸信號的一些數理特性來完成估計過程，不需要借助導頻，實現對用戶的劃分，有效處理導頻污染的情況。二是導頻的方式，主要是引入冗余，然后在傳輸信號的過程中融入導頻，這個信道估計的方式不需要復雜的計算過程，比較容易操作和實現，是經常被使用的估計方法。但是在這樣的估計過程中，一般需要很多導頻信號，也就存在導頻污染的情況，估計的結果可能會受到影響。三是半盲估計，這是基于上述兩種估計之間的一種方式。

（三）天線技術

天線數量大幅度增加是該技術最明顯的變化，根據不同的通信需求，可以給基站增加數十個甚至上百個天線，進而形成相異的系統模式。總體而言，能夠將其劃分為兩種類型：一是集中式，即在某個基站上集中配置大量天線，二是分布式，即將天線分別配置于各個節點。無論采用何種方式來配置天線，都是為了獲得更大的空間維度，進而提升通信效率：

第一，將天線的數目保持在某個標準，在處理信號方面比較便利，而且不需要復雜的計算過程，相關儀器就會以最優質的性能運行。

第二，通過合理的天線配置，讓信號在傳輸中呈現為電磁波束，這樣就會降低信號傳輸中的復雜性，避免復雜路徑的干擾，同時，不需要擴展基站，只是不斷擴展空間維度，有利于提升信號的分辨率，而且傳輸的效率和頻率都極大提升。

第三，相比較于之前的MIMO 技術，由于天線的數目大規模增加，各個天線的功率降低，整個系統的能效有所保障。

（四）信道模型和系統性能

要想充分發揮大規模MIMO 技術的價值，就需要建立完善的通信傳輸系統，而在通信系統構建的過程中，系統性能以及信號傳輸的信道模型是必須要考慮的基礎問題。在新型MIMO 技術的支持下，基站配置了大量的天線，形成了陣列型的模式，極大地擴展了信號傳輸的信道空間，但是在通信系統的設計中也面臨全新的問題，目前仍舊處于實踐研究的階段，關于信道的研究發現較少。另外，在系統設計中，必須重視頻譜和效率因素，為了確保系統設計的性能，需要構建完善的信道模型，詳細解釋信道的相關特性，估計系統的頻譜和功率效率等因素，為系統設計提供數據參考。目前，在系統設計中面臨的主要問題就是導頻污染，有研究發現，可以通過基站聯合實現編碼統計工作，有利于處理導頻污染的情況。

三、結束語

綜上所述，在傳統MIMO 技術的基礎上，通過增加基站的天線數量，深入挖掘信息傳輸空間維度的資源，已經成為通信技術發展的必然趨勢，由于不需要增加寬帶與功率，而且通過天線數目的擴展，降低了單個天線的功率，也就節約了一定的硬件成本，所以該技術非常符合節能理念。同時，在大規模MIMO 技術中，信道的品質較好，信號傳輸過程中的復雜性降低，遭受外界客觀環境干擾的情況減少，信號傳輸的品質有所保障，基本不會發生延時的情況。雖然MIMO 技術的發展面臨一定瓶頸，但是在持續的研究中必然會發現最佳的解決之道，逐漸攻破技術方面的局限，充分發揮大規模MIMO 技術的價值，促進5G 時代的來臨。