回傳容量受限的Cell-free 大規模MIMO 傳輸研究綜述*

龔燕華

（中國電信股份有限公司定西分公司，甘肅 定西 743000）

0 引言

隨著互聯網技術的快速發展，當前移動寬帶用戶數呈爆炸式增長。人工智能、大數據、物聯網等技術的提出與實現對通信網絡提出了更高的要求，特別是在海量的用戶連接、高吞吐量、低時延、高可靠性、高服務質量（Quality of Service，QoS）、節能等方面的要求越來越嚴苛，因此無線通信網絡傳輸技術的發展還面臨著許多挑戰[1]。2015 年國際電信聯盟無線通信部門（ITU-Radiocommunication Sector，ITU-R）確定了5G 的3 大應用場景：增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠與低延遲通信（Ultra-Reliable Low-Latency Communications，URLLC）和大規模機器通信（massive Machine Type Communication，mMTC）[2]。目前世界各國在推動5G 商用部署的同時，對6G 技術的研發工作也在如火如荼地進行。在未來的6G 時代，通信場景將發生根本性變化，出現人與人、人與機器、機器與機器等多種通信混合的模式，這些網絡場景的實現也對傳輸技術的可靠性、確定性及智能化提出了更高的要求[3]。當前，從物理層角度出發在無線傳輸方面，分布式的超大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）、智能超表面和超奈奎斯特傳輸技術等是當前發展的熱點。特別是在引入超大規模MIMO 后，傳輸網絡的容量得到了大幅提升。

為了滿足5G 通信系統在吞吐量、鏈路密度、時延等方面的要求，2010 年Marzeta 提出了大規模MIMO 系統的概念[4]。大規模MIMO 系統在實現無線通信方面有以下優勢[5]：（1）在基站（Base Station，BS）中配置了百根以上的天線，系統的空間自由度大幅提高，能夠利用空分復用技術實現在同一時頻資源內服務多個用戶；（2）隨著基站天線數的增加，小尺度衰落對系統性能的影響越來越小，該現象稱為信道硬化[6]；（3）利用大規模的天線陣列能夠提高陣列增益，實現利用較小的發射功率達到較好通信質量的目的。因其在頻譜資源及能源效率利用等方面具有顯著優勢，大規模MIMO成為5G 的關鍵技術之一[7]。

因為相較于4G 基站，5G 基站的天線數提高了一個量級，所以在進行5G 通信系統實際部署時，對場地的選擇、基站密度的設定等都需要進行更加嚴格的考察，在商業部署方面要求更加嚴苛。目前從1G 到5G 的演化仍是以蜂窩網為基礎，隨著小區蜂窩面積的不斷縮小，小區之間的干擾變得更加嚴重，特別是處于各小區邊緣的用戶受干擾影響較大，性能較差[3]。

為解決邊緣用戶性能較差的問題，以分布式大規模MIMO 為基礎的去蜂窩（Cell-free）大規模MIMO 在2017 年被提出，旨在消除大規模MIMO 系統中小區邊緣用戶的干擾問題。如圖1 所示，在Cell-free 大規模MIMO 系統中，大量的接入點（Access Point，AP）被分布在一個較大的區域，每個AP 配有一根或多根天線，每個AP 通過回傳鏈路將數據傳輸至中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）。在系統中延續大規模MIMO 的通信方式，采用時分雙工操作（Test-Driven Development，TDD），利用相同的時頻資源為用戶（User Equipment，UE）服務[8]，該方式為傳輸網絡提供較高的空間分集增益與復用增益，并提高了用戶的頻譜效率。

圖1 Cell-free 大規模MIMO

如表1 所示，Cell-free 大規模MIMO 相比于傳統的集中式大規模MIMO 有以下3 個顯著特征：

表1 集中式大規模MIMO 與Cell-free 大規模MIMO 比較

（1）去蜂窩的網絡架構避免了用戶在小區間的頻繁切換，能夠有效解決集中式大規模MIMO 系統中小區邊緣信號質量差、用戶間干擾強的問題。

（2）基站部署更加靈活。在Cell-free 大規模MIMO 系統中，每個AP 所攜帶的天線數有限，同時可以將AP 尺寸縮小，將AP 架設在路燈等位置，無須單獨架設信號塔，減輕了AP 部署壓力，更具實際意義。

（3）AP 密度增大，用戶與AP 間的距離縮短，有效減輕了大尺度衰落對通信的影響，能夠為區域內的用戶提供更加穩定可靠的通信服務[9]。

因此在未來的6G 網絡中，Cell-free 大規模MIMO在更高頻段、密集部署場景有極大的應用潛力[10]。

1 Cell-free 大規模MIMO 發展現狀

1.1 信息理論分析

Ngo 等人[8]結合大規模MIMO 和分布式MIMO首次提出了Cell-free 大規模MIMO 理論，將大量的AP 分布在一個較廣的區域內，所有的AP 采用TDD 操作，通過回傳鏈路將用戶發送的信息傳輸給CPU 進行統一處理，實現多用戶服務。仿真表明，與傳統的蜂窩網相比，在不相關陰影衰落條件下，Cell-free 大規模MIMO 系統中每個用戶的吞吐量有了近5 倍的提升，在相關陰影衰落下提高了10 倍。Interdonato 等人[11]指出Cell-free 大規模MIMO 實現了以用戶為中心的相干傳輸，克服了蜂窩網絡中的小區間干擾限制并提供了額外的宏分集增益。采用時分雙工操作可確保系統的伸縮性和分布式處理，以用戶為中心的數據傳輸方式抑制了小區間干擾并且有效減少了前傳開銷，并且Cell-free 僅改變了活動模式下數據傳輸協議，不會創建任何單元邊界。

從信息理論的角度出發，Nguyen 等人針對Cell-free 大規模MIMO 系統的下行鏈路，設計了一種基于迫零的預編碼技術，通過低復雜度的功率控制技術最大化系統的能量效率[12]。Feng 等人[13]以毫米波Cell-free 大規模MIMO 系統加權和速率最大化為目標，提出了一種低復雜度混合預編碼算法，顯著提升了系統容量。此外，針對不完美的信道狀態信息引入了路徑跟蹤算法并證明了其有效性。在此基礎上，Ngo 等人將信道估計誤差、回傳鏈路容量受限、功率控制等因素考慮在內，得出頻譜效率的閉合表達式，反映出回傳鏈路的功耗、AP 數量及AP 天線數對系統能效的影響，提出一種功率分配算法，將總能量效率最大化。同時為減少回傳鏈路的功率損耗，設計AP 選擇方案，在能量效率與回傳鏈路開銷間取折中[14]。在Cell-free 系統中需部署大量AP，但使用高精度的射頻硬件不僅會提高能量消耗，并且所需成本較高，Hoydis 等人[15]揭示了低精度硬件帶來的噪聲對系統性能產生的影響，結論表明通過增加AP 數能夠彌補低精度硬件帶來的性能損失，這為Cell-free 大規模MIMO 系統的低復雜度實現提供了理論依據。

1.2 信息處理技術分析

在信息處理技術方面關于Cell-free 大規模MIMO 的分析主要包括導頻分配策略、信道估計機制、回傳鏈路設計3 個方面。

隨著Cell-free 大規模MIMO 系統中的用戶數增加，相干時間內的正交導頻資源不足，會產生導頻污染問題。目前系統中針對導頻的優化策略主要分為AP 選擇、導頻分配、導頻功率優化這幾個方面。在AP 選擇方面，Nguyen 等人[16]提出了基于功率傳輸最小化的AP 選擇算法，分析了大尺度衰落、信道估計準確度和信噪比對AP 選擇的影響，并使用最大化最小功效、最大化最低服務質量和不完美CSI 下最大化總頻譜效率這3 種方法實現系統性能優化。Ranasinghe 等人[17]提出了一種基于圖神經網絡的AP 選擇算法，構建了兩個圖，一個是僅包含AP 節點的同構圖，另一個是包含AP 節點和UE 節點的異構圖，使用基于歸納圖學習框架來預測節點之間的鏈接。在導頻分配方面，Attarifar 等人[18]通過最大化導頻復用距離降低導頻開銷和導頻污染，并與隨機導頻分配方案進行比較，說明結構化的導頻分配策略能夠更好地提高性能。Interdonato 等人[19-20]將CSI、信道硬化效應、用戶移動性等因素綜合為一個效用函數，利用效用函數為特定用戶分配專用的下行導頻資源，雖然消耗了無線資源，但對提高下行信道估計的準確度有明顯幫助。Ren 等人[21]考慮了信道向量的特征空間，并在最小化了當前考慮的UE 中所有服務AP 的導頻污染總和的基礎上，提出了一種可擴展導頻分配算法，該方法在保證網絡可擴展性的同時，性能優于現有的方法。對于導頻功率優化問題，Mai 等人[22]設計了導頻功率控制算法，以優化信道估計誤差為目標，建立非凸優化問題，并且采用一階泰勒展開的方法對用戶的導頻功率進行分配。

在基于時分雙工操作的集中式MIMO 中，由于信道硬化效應的存在，不需要對鏈路進行下行估計，可直接利用上行信道估計矩陣進行下行傳輸預編碼。但在Cell-free 大規模MIMO 中，由于用戶和AP 之間的信道空間相關性較強，部分用戶的信道硬化效應不明顯，因此對下行鏈路進行信道估計能夠大幅提高系統有效性[23]。針對信道估計問題，現有研究大多通過在AP 端利用最小均方誤差（Minimun Mean Square Error，MMSE）或線性最小均方誤差（Linear Minimun Mean Square Error，LMMSE）準則進行上行鏈路信道估計[24-25]。Park等人[24]以最小化信道估計均方差為目標進行接收機設計，不足之處是該方案復雜度較高，實際應用中難以實現。Hoang 等人[25]通過MMSE 準則進行信道估計，并計算出在主動竊聽情況下被攻擊用戶的可達速率。Han 等人[26]分析了頻分雙工Cell-free大規模MIMO 中信道的近似稀疏性，利用壓縮感知方法獲得信道矩陣系數，并通過仿真表明該方法在能效方面優于時分雙工方案。

隨著AP 與用戶數增加，系統對回程鏈路吞吐量的需求變大，因此回傳鏈路設計的重要性更加凸顯。然而，對回傳容量無限的假設并不符合實際[27-28]。因此，Ngo 等人[23]針對回傳鏈路容量受限的Cellfree 大規模MIMO 系統性能進行分析，對AP 端信道估計值和接收信號進行量化，并提出利用迭代方案解決最大—最小用戶鏈路速率的問題。為解決容量有限的回傳鏈路Cell-free 大規模MIMO 的功率分配問題，Boroujerdi 等人[29]在CPU 處將下行數據進行預編碼并壓縮后發送給AP，通過量化AP 端所接收數據，降低鏈路負載，并利用共軛梯度法解決量化比特和功率分配的聯合優化問題。

1.3 傳輸方案設計

最初的Cell-free 大規模MIMO 系統中，所有AP 聯合向用戶發送信號，但只有一部分功率能夠有效地傳輸給用戶，所以該方案低效且實用性低。因此，利用信道特性對用戶AP 進行選擇就顯得尤為重要。在Cell-free 大規模MIMO 中，對AP 的選擇主要分為兩類：一是有約束的接入點選擇問題，依靠覆蓋距離、接收信號功率等指標設計簡單的AP 選擇函數，實現性能度量最大化[30]；二是考慮接入點的最大流量負載、最大發射功率及回傳容量有限等問題進行AP 選擇[16]。

在Cell-free 大規模MIMO 中，所有用戶通過回傳鏈路連接到CPU，并進行信道估計、有效載荷的數據檢測及功率控制系數的交換。早期的研究大多假設所有的導頻信號在訓練階段以全功率傳輸，但當用戶信道響應較差時會造成嚴重的導頻污染。為了降低用戶全功率傳輸帶來的影響，Liu 等人[30]在訓練階段為所有用戶分配最合適的導頻功率來提高估計信道質量，提高系統的整體性能。除此之外，Ngo 等人[8]利用復雜度較低的最大比率發射預處理方法在AP 處直接對下行信息進行預編碼，無須將估計信道信息回傳給CPU 進行處理。這種方案降低了對回傳容量的需求，但用戶間干擾較大，并不適合對有效性要求極高的用戶。Nguyen 等人[12]采用迫零編碼減小用戶間的干擾，雖然相較于最大比率發射預處理方法消耗了更多的回傳資源，但帶來了明顯的性能提升。Elwekeil 等人[31]提出了下行聯合波束形成和功率控制優化模型,該模型以滿足服務質量約束和功耗限制的同時最小化最大用戶干擾為目標，并將其建模為混合整數非線性規劃問題。

2 Cell-free 大規模MIMO 發展趨勢

Cell-free 大規模MIMO 作為依賴于基站天線部署的分布式方案受到廣泛的關注，最近的理論研究深入地分析介紹了該網絡傳輸方式的概念，但仍存在一些問題及挑戰，具體如下文所述。

（1）毫米波通信。在超大規模的多輸入多輸出系統中，AP 和用戶之間的距離顯著縮小，Cellfree 大規模MIMO 與毫米波系統都非常適合短程通信，因此將兩者結合的毫米波Cell-free 大規模MIMO 系統能夠通過提供高帶寬來實現數據速率的提升，因此使用無線毫米波設計回傳鏈路是一個具有吸引力的選擇。

（2）非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。目前大規模MIMO 與NOMA 的結合已經受到廣泛的關注，文獻[32]結合兩種技術實現了系統效率的提升，但目前該系統在上行傳輸階段仍存在亟須解決的問題。

（3）高移動場景。在用戶高速移動的場景中，多徑信號會發生顯著的相位移動，這會造成嚴重的導頻污染，降低信道估計準確度。因此，設計復雜的預編碼方案及功率分配算法來應對高速移動的用戶顯得尤為重要。

（4）硬件損傷。目前多數文獻是在理想硬件的前提下去考慮系統性能的，但在Cell-free 大規模MIMO 系統中，隨著天線數的增加，系統功耗及硬件成本也隨之提高。文獻[15]建立了基于硬件損傷的系統架構，并提出上下行鏈路的硬件縮放規律揭示硬件損傷對系統性能的影響。

（5）物理層安全問題。物理層安全被認為是在上層實現的傳統密碼安全方法的一個補充，受到廣泛的關注。在Cell-free 大規模MIMO 中，由于AP 與用戶之間的距離縮短，密度增加，這大大增加了信息被惡意竊聽者竊取的概率。文獻[33]指出，在存在主動竊聽者的情況下，竊聽者通過導頻欺騙攻擊大大降低了合法用戶的保密性能，因此設計有效的攻擊檢測方案顯得尤為重要。

3 結語

Cell-free 大規模MIMO 作為6G 通信的關鍵技術之一，在充分利用大規模MIMO 帶來的空間宏分集增益的同時，有效克服了傳統集中式大規模MIMO 中邊緣用戶服務質量差的缺陷。通過部署大量的AP 有效縮短了AP 與用戶間的距離，降低了路徑損耗。本文首先分析了發展Cell-free 大規模MIMO 在未來通信中的重要意義，其次分別從3 個方面討論了Cell-free 大規模MIMO 的發展現狀，最后分析了其發展趨勢。研究表明，Cell-free 大規模MIMO 系統以較低的成本和功耗達到了較優的性能，而且能夠對抗信道老化，魯棒性較好，是未來移動通信主要的傳輸技術之一。