大規(guī)模MIMO無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)

基于大規(guī)模MIMO基本架構(gòu)，探討了信道建模和系統(tǒng)性能分析、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)、多用戶(hù)上下行無(wú)線傳輸技術(shù)等大規(guī)模MIMO傳輸關(guān)鍵技術(shù)；認(rèn)為利用大規(guī)模陣列天線的多用戶(hù)多輸入多輸出（MIMO）傳輸，將顯著提升無(wú)線通信系統(tǒng)的頻譜效率及功率效率。

大規(guī)模MIMO；寬帶無(wú)線通信；綠色無(wú)線通信

現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展，使得寬帶信息服務(wù)逐步延展到移動(dòng)終端成為必然趨勢(shì)，以提供語(yǔ)音業(yè)務(wù)為主的傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)，正逐步演變?yōu)橄蛞苿?dòng)用戶(hù)提供互聯(lián)網(wǎng)接入以及視頻和多媒體業(yè)務(wù)的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)。

在過(guò)去的20年中，移動(dòng)通信技術(shù)不斷進(jìn)步，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷演進(jìn)，最新推出的第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G），其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率達(dá)到每秒百兆甚至千兆比特，能夠在較大程度上滿足今后一段時(shí)期內(nèi)寬帶移動(dòng)通信應(yīng)用需求[1]。然而，隨著智能終端普及應(yīng)用及移動(dòng)新業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)線傳輸速率需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，至2020年，無(wú)線通信的傳輸速率需求將是目前正在運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的千倍[2]，能夠支撐高達(dá)每秒千兆比特傳輸速率的4G移動(dòng)通信系統(tǒng)，將仍然難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信的應(yīng)用需求。另一方面，隨著全球范圍內(nèi)移動(dòng)用戶(hù)數(shù)與高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的增長(zhǎng)以及信息技術(shù)系統(tǒng)能源消耗所占比例的不斷增加，降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能源消耗已逐漸成為移動(dòng)通信發(fā)展的重要需求[3]，以支持高速率傳輸為主要目標(biāo)的4G移動(dòng)通信技術(shù)，將難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信對(duì)能耗效率的需求。因此，移動(dòng)通信技術(shù)需要在4G基礎(chǔ)上不斷演進(jìn)，滿足超高傳輸速率無(wú)線通信的相關(guān)需求。

世界各國(guó)在推動(dòng)4G產(chǎn)業(yè)化工作的同時(shí)，已開(kāi)始著眼于新一代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）的研究，力求使無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能和產(chǎn)業(yè)規(guī)模產(chǎn)生新的飛躍。4G之后移動(dòng)通信的發(fā)展，需要新的重大科學(xué)問(wèn)題的解決和原理性的突破，在無(wú)線頻譜資源日趨緊張的情況下，如何在4G基礎(chǔ)上，將無(wú)線移動(dòng)通信的頻譜效率和功率效率進(jìn)一步提升一個(gè)量級(jí)以上，是4G之后移動(dòng)通信技術(shù)的核心所在。4G之后移動(dòng)通信發(fā)展需要在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)及無(wú)線傳輸技術(shù)等方面進(jìn)行新的變革，從根本上解決移動(dòng)通信的頻譜有效性和功率有效性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)更高頻譜效率和綠色無(wú)線通信的雙重目標(biāo)。

面向4G之后移動(dòng)通信的發(fā)展，為提高無(wú)線資源利用率、改善系統(tǒng)覆蓋性能、顯著降低單位比特能耗，異構(gòu)分布式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能自組織組網(wǎng)技術(shù)得到業(yè)界更加廣泛的關(guān)注[2-4]。

在分布式協(xié)作網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，處于不同地理位置的節(jié)點(diǎn)（基站、遠(yuǎn)程天線陣列單元或無(wú)線中繼站）在同一時(shí)頻資源上協(xié)作完成與多個(gè)移動(dòng)通信終端的通信，形成網(wǎng)絡(luò)多輸入多輸出（MIMO）信道，可以克服傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)中MIMO技術(shù)應(yīng)用的局限，在提高頻譜效率和功率效率的同時(shí)，改善小區(qū)邊緣的傳輸性能。然而，在目前典型的節(jié)點(diǎn)天線個(gè)數(shù)配置和小區(qū)設(shè)置的情況下，研究工作表明網(wǎng)絡(luò)MIMO傳輸系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)頻譜和功率效率提升的“瓶頸”問(wèn)題[5]。為此，研究者們提出在各節(jié)點(diǎn)以大規(guī)模陣列天線替代目前采用的多天線[6-7]，由此形成大規(guī)模MIMO無(wú)線通信環(huán)境（如圖1所示），以深度挖掘利用空間維度無(wú)線資源，解決未來(lái)移動(dòng)通信的頻譜效率及功率效率問(wèn)題。

大規(guī)模MIMO無(wú)線通信的基本特征是：在基站覆蓋區(qū)域內(nèi)配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線，較4G系統(tǒng)中的4（或8）根天線數(shù)增加一個(gè)量級(jí)以上，這些天線以大規(guī)模陣列方式集中放置；分布在基站覆蓋區(qū)內(nèi)的多個(gè)用戶(hù)，在同一時(shí)頻資源上，利用基站大規(guī)模天線配置所提供的空間自由度，與基站同時(shí)進(jìn)行通信，提升頻譜資源在多個(gè)用戶(hù)之間的復(fù)用能力、各個(gè)用戶(hù)鏈路的頻譜效率以及抵抗小區(qū)間干擾的能力，由此大幅提升頻譜資源的整體利用率；與此同時(shí)，利用基站大規(guī)模天線配置所提供的分集增益和陣列增益，每個(gè)用戶(hù)與基站之間通信的功率效率也可以得到進(jìn)一步顯著提升。

大規(guī)模MIMO無(wú)線通信通過(guò)顯著增加基站側(cè)配置天線的個(gè)數(shù)，以深度挖掘利用空間維度無(wú)線資源，提升系統(tǒng)頻譜效率和功率效率，其所涉及的基本通信問(wèn)題是：如何突破基站側(cè)天線個(gè)數(shù)顯著增加所引發(fā)的無(wú)線傳輸技術(shù)“瓶頸”，探尋適于大規(guī)模MIMO通信場(chǎng)景的無(wú)線傳輸技術(shù)。

近兩年來(lái)，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信引起了研究者們的廣泛關(guān)注，文獻(xiàn)上出現(xiàn)了一些初步的相關(guān)研究工作報(bào)道[8-18]，這些工作涉及傳輸性能分析、傳輸方案設(shè)計(jì)等多個(gè)方面。從已報(bào)道的工作可見(jiàn)：

（1）關(guān)于大規(guī)模MIMO信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作較少，還沒(méi)有受到廣泛認(rèn)可的信道模型出現(xiàn)。

（2）所涉及的傳輸方案大都基于貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的方案[6]，即在配備單天線的用戶(hù)數(shù)目遠(yuǎn)小于基站天線個(gè)數(shù)的假設(shè)下，通過(guò)上行鏈路正交導(dǎo)頻和時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)上下行信道互易性，基站側(cè)獲得多用戶(hù)上下行信道參數(shù)估計(jì)值，并以此實(shí)施上行接收處理和下行預(yù)編碼傳輸。

（3）傳輸方案性能分析往往假設(shè)大規(guī)模MIMO信道是理想的獨(dú)立同分布（IID）信道，在此條件下，導(dǎo)頻污染被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的“瓶頸”問(wèn)題。

由此可知，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)研究尚處在起步階段，為充分挖掘其潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要探明符合典型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的信道模型，并在實(shí)際信道模型、適度的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性等約束條件下，分析其可達(dá)的頻譜效率和功率效率，進(jìn)而探尋信道信息獲取技術(shù)及最優(yōu)傳輸技術(shù)，解決大規(guī)模MIMO無(wú)線通信所涉及的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)及信道信息獲取“瓶頸”問(wèn)題、多用戶(hù)共享空間無(wú)線資源問(wèn)題、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性問(wèn)題、對(duì)中高速移動(dòng)通信場(chǎng)景及頻分雙工（FDD）系統(tǒng)的適用性問(wèn)題等。

綜上所述，4G之后移動(dòng)通信對(duì)頻譜效率及功率效率提出了更高的要求，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信能夠深度挖掘空間維度無(wú)線資源，大幅提升無(wú)線通信頻譜效率和功率效率，是支撐未來(lái)新一代寬帶綠色移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

本文對(duì)大規(guī)模MIMO無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，重點(diǎn)包括復(fù)雜無(wú)線環(huán)境中大規(guī)模MIMO信道模型和系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)及多用戶(hù)上下行無(wú)線傳輸技術(shù)等方面。

1 信道模型及系統(tǒng)性能

分析技術(shù)

信道模型與系統(tǒng)性能分析是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信環(huán)境下，基站側(cè)配置大規(guī)模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強(qiáng)，大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統(tǒng)地探討。值得注意的是，盡管大規(guī)模MIMO已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但有關(guān)大規(guī)模MIMO信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作較少。

已報(bào)道的文獻(xiàn)中往往假設(shè)大規(guī)模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實(shí)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道并不能滿足IID假設(shè)，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關(guān)分析結(jié)果存在著較大的局限性。各種應(yīng)用場(chǎng)景下大規(guī)模MIMO無(wú)線信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作是有待進(jìn)一步開(kāi)展。

在給定的信道模型和發(fā)射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對(duì)信道容量的影響，可為傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻譜以及功率效率等性能評(píng)估提供重要的依據(jù)。

在已報(bào)道的文獻(xiàn)中，有關(guān)容量和傳輸方案性能分析大都假設(shè)信道滿足IID條件，在此條件下，導(dǎo)頻污染被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的“瓶頸”問(wèn)題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設(shè)條件成立，通過(guò)在多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼，理論上可以完全消除導(dǎo)頻污染問(wèn)題[14]。

對(duì)于帶空間相關(guān)性的大規(guī)模MIMO信道，利用各用戶(hù)的統(tǒng)計(jì)信道信息，通過(guò)多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施導(dǎo)頻調(diào)度，也可以有效減輕導(dǎo)頻污染[12]。對(duì)于典型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下無(wú)線信道特性對(duì)大規(guī)模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進(jìn)一步開(kāi)展。

2 信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)

信道估計(jì)是信號(hào)檢測(cè)和自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)，對(duì)于大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的TDD大規(guī)模MIMO傳輸方案中[6]，小區(qū)中的各用戶(hù)（通常假設(shè)配置單個(gè)天線）向基站發(fā)送相互正交的導(dǎo)頻信號(hào)，基站利用接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，獲得上行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，再利用TDD系統(tǒng)上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，由此實(shí)施上行檢測(cè)和下行預(yù)編碼傳輸。隨著用戶(hù)數(shù)目的增加，用于信道參數(shù)估計(jì)的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)隨之線性增加，特別地，在中高速移動(dòng)通信場(chǎng)景，導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)將會(huì)消耗掉大部分的時(shí)頻資源，成為系統(tǒng)的“瓶頸”。開(kāi)展導(dǎo)頻受限條件下的TDD大規(guī)模MIMO信道信息獲取技術(shù)研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[19]。

此外，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對(duì)該問(wèn)題，美國(guó)南加州大學(xué)提出了聯(lián)合空分復(fù)用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側(cè)利用不同用戶(hù)的信道二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行用戶(hù)分組及預(yù)波束賦形，由于預(yù)波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實(shí)施信道估計(jì)能夠顯著降低信道狀態(tài)信息獲取所需的開(kāi)銷(xiāo)，這使得FDD模式下大規(guī)模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設(shè)在同一組內(nèi)的不同用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣相互正交，該信道假設(shè)過(guò)于理想，在實(shí)際中通常難以滿足。深入開(kāi)展在實(shí)際信道條件下的導(dǎo)頻受限FDD大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)研究具有重要性[20]。

3 多用戶(hù)傳輸技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)空間無(wú)線資源共享及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)多用戶(hù)上下行傳輸系統(tǒng)，涉及基站側(cè)和用戶(hù)端所能夠獲得的信道狀態(tài)信息。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中，基站側(cè)與用戶(hù)端均難以獲取完整信道的瞬時(shí)狀態(tài)信息，這意味著大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)將不同于現(xiàn)有的MIMO傳輸技術(shù)。在已報(bào)道的有關(guān)工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導(dǎo)頻和TDD系統(tǒng)上下行信道互易性，基站側(cè)可獲得多用戶(hù)上下行信道參數(shù)估計(jì)值，基站側(cè)假定所獲取的信道參數(shù)估計(jì)值為真實(shí)值，并以此實(shí)施多用戶(hù)聯(lián)合上行接收處理和下行預(yù)編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側(cè)將信道估計(jì)值作為真實(shí)值來(lái)實(shí)施上下行傳輸，傳輸?shù)聂敯粜詿o(wú)法保證；單個(gè)用戶(hù)僅配置單根天線，當(dāng)系統(tǒng)中用戶(hù)數(shù)較少時(shí)，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號(hào)檢測(cè)和下行鏈路的預(yù)編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運(yùn)算，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高；FDD系統(tǒng)中所有用戶(hù)瞬時(shí)信道信息獲取困難，存在著FDD系統(tǒng)的適用性問(wèn)題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問(wèn)題，在基站側(cè)僅知部分信道信息時(shí)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享空間無(wú)線資源和高性能高魯棒性低復(fù)雜度的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸，是有待解決的重要問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

小規(guī)模天線配置下的MIMO無(wú)線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信能夠大幅度提升無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無(wú)線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一。盡管大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究工作尚處在起步階段。

基于大規(guī)模MIMO基本架構(gòu)，本文討論了信道建模和系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)及多用戶(hù)上下行無(wú)線傳輸技術(shù)等大規(guī)模MIMO傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 信道模型及系統(tǒng)性能

分析技術(shù)

信道模型與系統(tǒng)性能分析是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信環(huán)境下，基站側(cè)配置大規(guī)模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強(qiáng)，大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統(tǒng)地探討。值得注意的是，盡管大規(guī)模MIMO已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但有關(guān)大規(guī)模MIMO信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作較少。

已報(bào)道的文獻(xiàn)中往往假設(shè)大規(guī)模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實(shí)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道并不能滿足IID假設(shè)，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關(guān)分析結(jié)果存在著較大的局限性。各種應(yīng)用場(chǎng)景下大規(guī)模MIMO無(wú)線信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作是有待進(jìn)一步開(kāi)展。

在給定的信道模型和發(fā)射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對(duì)信道容量的影響，可為傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻譜以及功率效率等性能評(píng)估提供重要的依據(jù)。

在已報(bào)道的文獻(xiàn)中，有關(guān)容量和傳輸方案性能分析大都假設(shè)信道滿足IID條件，在此條件下，導(dǎo)頻污染被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的“瓶頸”問(wèn)題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設(shè)條件成立，通過(guò)在多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼，理論上可以完全消除導(dǎo)頻污染問(wèn)題[14]。

對(duì)于帶空間相關(guān)性的大規(guī)模MIMO信道，利用各用戶(hù)的統(tǒng)計(jì)信道信息，通過(guò)多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施導(dǎo)頻調(diào)度，也可以有效減輕導(dǎo)頻污染[12]。對(duì)于典型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下無(wú)線信道特性對(duì)大規(guī)模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進(jìn)一步開(kāi)展。

2 信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)

信道估計(jì)是信號(hào)檢測(cè)和自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)，對(duì)于大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的TDD大規(guī)模MIMO傳輸方案中[6]，小區(qū)中的各用戶(hù)（通常假設(shè)配置單個(gè)天線）向基站發(fā)送相互正交的導(dǎo)頻信號(hào)，基站利用接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，獲得上行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，再利用TDD系統(tǒng)上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，由此實(shí)施上行檢測(cè)和下行預(yù)編碼傳輸。隨著用戶(hù)數(shù)目的增加，用于信道參數(shù)估計(jì)的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)隨之線性增加，特別地，在中高速移動(dòng)通信場(chǎng)景，導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)將會(huì)消耗掉大部分的時(shí)頻資源，成為系統(tǒng)的“瓶頸”。開(kāi)展導(dǎo)頻受限條件下的TDD大規(guī)模MIMO信道信息獲取技術(shù)研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[19]。

此外，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對(duì)該問(wèn)題，美國(guó)南加州大學(xué)提出了聯(lián)合空分復(fù)用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側(cè)利用不同用戶(hù)的信道二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行用戶(hù)分組及預(yù)波束賦形，由于預(yù)波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實(shí)施信道估計(jì)能夠顯著降低信道狀態(tài)信息獲取所需的開(kāi)銷(xiāo)，這使得FDD模式下大規(guī)模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設(shè)在同一組內(nèi)的不同用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣相互正交，該信道假設(shè)過(guò)于理想，在實(shí)際中通常難以滿足。深入開(kāi)展在實(shí)際信道條件下的導(dǎo)頻受限FDD大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)研究具有重要性[20]。

3 多用戶(hù)傳輸技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)空間無(wú)線資源共享及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)多用戶(hù)上下行傳輸系統(tǒng)，涉及基站側(cè)和用戶(hù)端所能夠獲得的信道狀態(tài)信息。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中，基站側(cè)與用戶(hù)端均難以獲取完整信道的瞬時(shí)狀態(tài)信息，這意味著大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)將不同于現(xiàn)有的MIMO傳輸技術(shù)。在已報(bào)道的有關(guān)工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導(dǎo)頻和TDD系統(tǒng)上下行信道互易性，基站側(cè)可獲得多用戶(hù)上下行信道參數(shù)估計(jì)值，基站側(cè)假定所獲取的信道參數(shù)估計(jì)值為真實(shí)值，并以此實(shí)施多用戶(hù)聯(lián)合上行接收處理和下行預(yù)編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側(cè)將信道估計(jì)值作為真實(shí)值來(lái)實(shí)施上下行傳輸，傳輸?shù)聂敯粜詿o(wú)法保證；單個(gè)用戶(hù)僅配置單根天線，當(dāng)系統(tǒng)中用戶(hù)數(shù)較少時(shí)，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號(hào)檢測(cè)和下行鏈路的預(yù)編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運(yùn)算，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高；FDD系統(tǒng)中所有用戶(hù)瞬時(shí)信道信息獲取困難，存在著FDD系統(tǒng)的適用性問(wèn)題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問(wèn)題，在基站側(cè)僅知部分信道信息時(shí)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享空間無(wú)線資源和高性能高魯棒性低復(fù)雜度的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸，是有待解決的重要問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

小規(guī)模天線配置下的MIMO無(wú)線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信能夠大幅度提升無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無(wú)線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一。盡管大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究工作尚處在起步階段。

基于大規(guī)模MIMO基本架構(gòu)，本文討論了信道建模和系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)及多用戶(hù)上下行無(wú)線傳輸技術(shù)等大規(guī)模MIMO傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 信道模型及系統(tǒng)性能

分析技術(shù)

信道模型與系統(tǒng)性能分析是無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信環(huán)境下，基站側(cè)配置大規(guī)模陣列天線，MIMO傳輸信道的空間分辨率得到顯著增強(qiáng)，大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道存在著新的特性，需要深入系統(tǒng)地探討。值得注意的是，盡管大規(guī)模MIMO已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但有關(guān)大規(guī)模MIMO信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作較少。

已報(bào)道的文獻(xiàn)中往往假設(shè)大規(guī)模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分實(shí)測(cè)結(jié)果表明，實(shí)際的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸信道并不能滿足IID假設(shè)，信道能量往往集中在有限的空間方向上[13，17]，這使得基于IID信道的相關(guān)分析結(jié)果存在著較大的局限性。各種應(yīng)用場(chǎng)景下大規(guī)模MIMO無(wú)線信道的理論建模和實(shí)測(cè)建模的工作是有待進(jìn)一步開(kāi)展。

在給定的信道模型和發(fā)射功率約束下，精確地表征信道能夠支持的最大傳輸速率，即信道容量，并由此揭示各種信道特性對(duì)信道容量的影響，可為傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、頻譜以及功率效率等性能評(píng)估提供重要的依據(jù)。

在已報(bào)道的文獻(xiàn)中，有關(guān)容量和傳輸方案性能分析大都假設(shè)信道滿足IID條件，在此條件下，導(dǎo)頻污染被認(rèn)為是大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的“瓶頸”問(wèn)題[6，11]，而最近的工作已表明，如果這一理想信道假設(shè)條件成立，通過(guò)在多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施統(tǒng)計(jì)預(yù)編碼，理論上可以完全消除導(dǎo)頻污染問(wèn)題[14]。

對(duì)于帶空間相關(guān)性的大規(guī)模MIMO信道，利用各用戶(hù)的統(tǒng)計(jì)信道信息，通過(guò)多個(gè)基站之間聯(lián)合實(shí)施導(dǎo)頻調(diào)度，也可以有效減輕導(dǎo)頻污染[12]。對(duì)于典型實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下無(wú)線信道特性對(duì)大規(guī)模MIMO傳輸性能影響的研究工作則有待進(jìn)一步開(kāi)展。

2 信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)

信道估計(jì)是信號(hào)檢測(cè)和自適應(yīng)傳輸?shù)幕A(chǔ)，對(duì)于大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸性能起重要影響作用。在貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的TDD大規(guī)模MIMO傳輸方案中[6]，小區(qū)中的各用戶(hù)（通常假設(shè)配置單個(gè)天線）向基站發(fā)送相互正交的導(dǎo)頻信號(hào)，基站利用接收到的導(dǎo)頻信號(hào)，獲得上行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，再利用TDD系統(tǒng)上下行信道的互易性，獲得下行鏈路信道參數(shù)的估計(jì)值，由此實(shí)施上行檢測(cè)和下行預(yù)編碼傳輸。隨著用戶(hù)數(shù)目的增加，用于信道參數(shù)估計(jì)的導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)隨之線性增加，特別地，在中高速移動(dòng)通信場(chǎng)景，導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)將會(huì)消耗掉大部分的時(shí)頻資源，成為系統(tǒng)的“瓶頸”。開(kāi)展導(dǎo)頻受限條件下的TDD大規(guī)模MIMO信道信息獲取技術(shù)研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[19]。

此外，貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的傳輸方案需要利用TDD模式上下行信道互異性[6]，不適用于FDD模式。針對(duì)該問(wèn)題，美國(guó)南加州大學(xué)提出了聯(lián)合空分復(fù)用（JSDM）傳輸方案[8]。其主要思想是，基站側(cè)利用不同用戶(hù)的信道二階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行用戶(hù)分組及預(yù)波束賦形，由于預(yù)波束賦形之后的等效信道維度顯著降低，在該等效信道上實(shí)施信道估計(jì)能夠顯著降低信道狀態(tài)信息獲取所需的開(kāi)銷(xiāo)，這使得FDD模式下大規(guī)模MIMO信道信息獲取成為可能。

JSDM方案假設(shè)在同一組內(nèi)的不同用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣具有相同的特征向量，而組間用戶(hù)的信道協(xié)方差矩陣相互正交，該信道假設(shè)過(guò)于理想，在實(shí)際中通常難以滿足。深入開(kāi)展在實(shí)際信道條件下的導(dǎo)頻受限FDD大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)研究具有重要性[20]。

3 多用戶(hù)傳輸技術(shù)

如何實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)空間無(wú)線資源共享及如何優(yōu)化設(shè)計(jì)多用戶(hù)上下行傳輸系統(tǒng)，涉及基站側(cè)和用戶(hù)端所能夠獲得的信道狀態(tài)信息。在大規(guī)模MIMO無(wú)線通信系統(tǒng)中，基站側(cè)與用戶(hù)端均難以獲取完整信道的瞬時(shí)狀態(tài)信息，這意味著大規(guī)模MIMO傳輸技術(shù)將不同于現(xiàn)有的MIMO傳輸技術(shù)。在已報(bào)道的有關(guān)工作中，所涉及的基本傳輸方案大都是貝爾實(shí)驗(yàn)室提出的最初方案，利用上行鏈路正交導(dǎo)頻和TDD系統(tǒng)上下行信道互易性，基站側(cè)可獲得多用戶(hù)上下行信道參數(shù)估計(jì)值，基站側(cè)假定所獲取的信道參數(shù)估計(jì)值為真實(shí)值，并以此實(shí)施多用戶(hù)聯(lián)合上行接收處理和下行預(yù)編碼傳輸[6，10]。

該傳輸方案中，基站側(cè)將信道估計(jì)值作為真實(shí)值來(lái)實(shí)施上下行傳輸，傳輸?shù)聂敯粜詿o(wú)法保證；單個(gè)用戶(hù)僅配置單根天線，當(dāng)系統(tǒng)中用戶(hù)數(shù)較少時(shí)，頻譜效率仍然較低；上行鏈路的信號(hào)檢測(cè)和下行鏈路的預(yù)編碼傳輸涉及高維矩陣求逆運(yùn)算，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高；FDD系統(tǒng)中所有用戶(hù)瞬時(shí)信道信息獲取困難，存在著FDD系統(tǒng)的適用性問(wèn)題。能否突破信道信息獲取的“瓶頸”問(wèn)題，在基站側(cè)僅知部分信道信息時(shí)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享空間無(wú)線資源和高性能高魯棒性低復(fù)雜度的大規(guī)模MIMO無(wú)線傳輸，是有待解決的重要問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

小規(guī)模天線配置下的MIMO無(wú)線通信已趨于成熟并存在性能局限，大規(guī)模MIMO無(wú)線通信能夠大幅度提升無(wú)線通信系統(tǒng)頻譜利用率和功率利用率，目前已成為5G無(wú)線通信領(lǐng)域最具潛力的研究方向之一。盡管大規(guī)模MIMO無(wú)線通信技術(shù)已引起國(guó)際上的廣泛關(guān)注，但相關(guān)研究工作尚處在起步階段。

基于大規(guī)模MIMO基本架構(gòu)，本文討論了信道建模和系統(tǒng)性能分析技術(shù)、信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)及多用戶(hù)上下行無(wú)線傳輸技術(shù)等大規(guī)模MIMO傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。