大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)技術(shù)探析

魯照華，張曉丹，肖華華，劉 錕，胡留軍，潘長勇

(1.中興通訊股份有限公司，廣東深圳518000;2.清華大學，北京100084)

1 大規(guī)模天線陣列

隨著智能終端的興起及無線數(shù)據(jù)應用業(yè)務的豐富，無線通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)用戶數(shù)大幅增加，數(shù)據(jù)內(nèi)容也不再限于傳統(tǒng)的文字或者圖像，未來用戶對高清晰度視頻、手機電視等多媒體業(yè)務的需求越來越多，導致無線網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)出爆炸式增長的態(tài)勢。根據(jù)市場機構(gòu)預測，未來10年，無線數(shù)據(jù)業(yè)務將增長500～1 000倍，平均每年增長1.6～2倍，這對無線通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)容量提出了更高的要求［1］。

提升無線通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)容量的方法有多種，主要包括提升頻譜效率、提高網(wǎng)絡(luò)密度、增加系統(tǒng)帶寬、智能業(yè)務分流等。近期研究中，基于大規(guī)模天線陣列技術(shù)提升頻譜效率的方法獲得越來越多研究人員的關(guān)注。

如圖1所示，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的基本特征就是通過在基站側(cè)配置數(shù)量眾多的天線陣列(從幾十至幾千)，獲得比傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)(天線陣列數(shù)不超過8個)更為精確的波束控制能力，然后通過空間復用技術(shù)，在相同的時頻資源上同時服務更多用戶來提升無線通信系統(tǒng)的頻譜效率，從而滿足未來B4G/5G無線通信系統(tǒng)中海量信息的傳輸需求［1－2］。另外，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)還可以很好地抑制無線通信系統(tǒng)中的干擾，帶來巨大的小區(qū)內(nèi)及小區(qū)間的干擾抑制增益，使得整個無線通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍得到進一步提高。

圖1 傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)與大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)對比圖

大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)能夠深度利用空間無線資源，理論上可顯著提高系統(tǒng)的頻譜效率和功率效率，是構(gòu)建未來高能效綠色寬帶無線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)［3－6］。然而，如何在現(xiàn)實約束條件下充分挖掘其潛在的巨大增益亟待深入研究，特別是信道信息獲取、天線陣列設(shè)計、碼本設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的研究。

2 基本原理

對于任意兩個n維實數(shù)序列s1，s2∈Rn，其相關(guān)系數(shù)定義為

如圖2所示，在給定相關(guān)系數(shù)的情況下，當維數(shù)n增加時，其累積分布概率值越大，當n趨近于300時，任意兩個向量相關(guān)系數(shù)小于0.1的概率已經(jīng)達到0.9，當n進一步增大時，任意兩個向量相關(guān)系數(shù)幾乎以1的概率趨近于0，這說明此時任意兩個實數(shù)向量之間幾乎正交。對于復高斯隨機向量來說，其相關(guān)系數(shù)具有與實系數(shù)向量類似的特征。

圖2 相關(guān)系數(shù)累積分布概率

在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，假設(shè)基站側(cè)的發(fā)射天線數(shù)目為N(取值通常大于等于64)，終端側(cè)由于尺寸大小的限制通常只有1根接收天線，故可以用N維復向量H∈CN×1來描述某一終端對應的信道系數(shù)向量。在常見的視距或強散射無線信道環(huán)境下，不同終端的信道系數(shù)向量之間通常服從獨立的復高斯分布，因此可認為任意兩個終端對應的信道以大概率趨于正交，圖3給出的基于實際信道環(huán)境的仿真結(jié)果也驗證了上述觀點。

基于上述分析，假設(shè)在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，基站側(cè)配置無窮根發(fā)射天線，終端側(cè)配置1根接收天線，基站側(cè)獲得完美信道信息，且基站側(cè)使用最大比發(fā)射(Maximum Ratio Transmit，MRT)預編碼策略，則目標終端的信道增益為，干擾的影響為，這里Hi表示目標終端信道系數(shù)向量，Ki表示干擾到目標終端的信道系數(shù)向量，在總發(fā)射功率約束的條件下，。也就是說，隨著發(fā)射天線數(shù)目的增加，目標終端信道系數(shù)向量與干擾到目標終端的信道系數(shù)向量之間是漸進正交的，這一結(jié)論為大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)復用更多用戶以及小區(qū)間的干擾抑制帶來了廣闊的應用前景。

圖3 實際信道環(huán)境下不同用戶信道相關(guān)系數(shù)累計部分概率

圖4給出了大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置256根發(fā)射天線)與傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置8根發(fā)射天線)復用4個終端(配置1根接收天線)在不同干擾源數(shù)目場景下的鏈路仿真結(jié)果(縱軸為誤塊率)?？梢钥闯?，相比于傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)能很好地通過大規(guī)模天線帶來的空間分集增益和陣列增益提升無線通信系統(tǒng)的鏈路接收性能，并且具有極強的干擾抑制能力。

圖4 大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的鏈路仿真結(jié)果

圖5給出了大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置64根或128根發(fā)射天線)與傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)(基站側(cè)配置8根發(fā)射天線)在最多允許接入50個終端(配置1根接收天線)、不考慮導頻開銷場景下的系統(tǒng)仿真性能，可以看出相比于傳統(tǒng)天線陣列系統(tǒng)，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)通過精細的空間波束控制在相同的時頻資源上復用更多的用戶，可以將頻譜效率提高了數(shù)十倍，展現(xiàn)出其強大的頻譜效率提升能力。

圖5 大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真結(jié)果

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信道信息獲取

大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的頻譜效率提升能力主要受制于空間無線信道信息獲取的準確性。大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，由于基站側(cè)天線維數(shù)的大幅增加，且傳輸鏈路存在干擾，通過現(xiàn)有的導頻設(shè)計及信道估計技術(shù)都難以獲取準確的瞬時信道信息，該問題是大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)必須解決的主要瓶頸問題之一。因此，探尋適用于大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的導頻設(shè)計及信道估計技術(shù)，對構(gòu)建實用的大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)具有重要的理論價值和實際意義。

實際系統(tǒng)中，空間無線信道信息的獲取來源于導頻信號，而導頻信號在時間、頻率上分布圖樣及小區(qū)間的干擾都會影響空間無線信道信息獲取的準確性。為了提高空間無線信道信息獲取的準確性，主要手段有:

1)主動干擾避免

主動干擾避免主要通過小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間導頻的正交化設(shè)計來主動避免導頻之間的相互干擾(導頻污染)，接收端通過較為簡單的信道估計算法即可獲取較為準確的空間無線信道信息。但是，這種方式導頻開銷一般比較大。以時分雙工系統(tǒng)為例，小區(qū)內(nèi)終端可以通過導頻的頻分復用來避免小區(qū)內(nèi)不同終端導頻之間的干擾，不同小區(qū)之間則通過導頻的時分復用來避免小區(qū)之間導頻信號的干擾。另外，也可以通過碼分復用與其他復用方式相結(jié)合的方式主動對小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間的導頻干擾進行避免。

2)被動干擾抑制

被動干擾抑制主要指基站側(cè)通過大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)所擁有的精確空間分辨能力，接收端通過較為復雜的信道估計方法對小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間的導頻干擾進行抑制，提升空間無線信息獲取的準確性。這種方式不要求小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的導頻相互正交，因此開銷相對比較小，但接收端的復雜度將會有所提高。值得考慮的信道估計方法主要有子空間投影法、多重信號分類法和旋轉(zhuǎn)不變法等，這些方法應用到大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中需要解決的主要問題是如何獲取干擾信號二階統(tǒng)計特性，如協(xié)方差矩陣等。另外，基于壓縮感知技術(shù)的變換域濾波信道估計方法在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中也具有較大的應用潛力。

3.2 天線陣列設(shè)計

大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，天線數(shù)目的增加導致實際天線陣列面積的迅速增大，這給基站的選址及天線陣列的安裝帶提出了嚴峻挑戰(zhàn)。例如，基站側(cè)配置有100根天線，采用均勻線性陣列，天線間距為半波長，在中心載頻為2.5 GHz時，線性陣列的長度為5.94 m，這在工程上是不可接受的。解決該問題可通過增加單位面積的天線數(shù)來實現(xiàn)，具體的方法有:

1)使用更高的載頻

可以讓大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)工作在更高的載頻上，例如25 GHz，則均勻線性陣列的長度從5.94 m減小為0.594 m，滿足實際工程要求。

2)改變天線拓撲

將天線擺放成平面陣、立方體或圓形陣列等，滿足工程安裝需求。例如，基站側(cè)配置有100根天線，天線間距為半波長，在中心載頻為2.5 GHz時，形成10×10的正方形陣列，水平方向和垂直方向的長度均為0.54 m，形成面積約為0.3 m2的平面板，從而滿足目前實際工程安裝要求。

需要指出，天線陣列拓撲結(jié)構(gòu)的不同，會導致信道特征的改變，影響大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的性能。表1給出了城市宏蜂窩信道、考慮導頻開銷條件下不同天線陣列拓撲結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)仿真結(jié)果，可以看出，在總天線數(shù)一定的情況下，天線陣列中水平方向放置的天線越多，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力越強，垂直方向放置的天線陣列越多，大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力會降低，形成上述仿真結(jié)果的主要原因是垂直方向角度擴展小，終端在垂直方向的角度分布范圍很小，需要更多的天線才能區(qū)分這些角度，使得在垂直方向放置天線獲得的增益不夠大。另外，在天線數(shù)目一定的情況下，垂直方向增加了天線，導致水平方向天線數(shù)目減小，使得水平方向的性能下降。

表1 不同天線拓撲結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果

3)減小天線間距

減小天線間距也可以滿足工程安裝的需求，但是如果天線間距小于半波長，會增加天線之間的相關(guān)性，從而使大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)無法形成精確的波束來區(qū)分終端，影響系統(tǒng)性能。以線性天線陣列為例，當天線間距小于半波長時，由于天線間相關(guān)性比較強，導致大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力急劇下降。

隨著天線設(shè)計中新材料的不斷使用，在未來天線設(shè)計中存在減小天線間距而不影響天線相關(guān)性和耦合性的可能。

3.3 碼本設(shè)計

大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中，需要從只關(guān)注天線在水平方向的波束賦形轉(zhuǎn)移到關(guān)注水平和垂直方向共同作用下的空間立體自適應波束賦形技術(shù)。

研究表明，隨著天線數(shù)目的增加，在維持碼本量化精度不變的前提下，碼本數(shù)量將呈現(xiàn)出指數(shù)增長的態(tài)勢，這給實際系統(tǒng)中上行反饋信道的設(shè)計帶來了巨大的困難和挑戰(zhàn)，同時也影響系統(tǒng)的上行容量。因此，如何在盡可能降低上行反饋信道開銷的情況下設(shè)計大維度的碼本空間，保證空間無線信道的量化精度，是需要仔細研究的問題(特別是系統(tǒng)上下行信道特性不同的頻分雙工系統(tǒng))。主要解決方法有:

1)基于旋轉(zhuǎn)的碼本構(gòu)造方法

目前學術(shù)界關(guān)于Grassmannian流形壓縮的研究主要集中于低維度的情形，對于高維度的研究較少，因為它對計算復雜度和性能提出了雙重要求，所以必須通過設(shè)計搜索算法的精心設(shè)計才能夠在較短時間內(nèi)獲得較為理想且上行反饋開銷小的結(jié)果。值得考慮的技術(shù)有:使用搜索的方式，在對Grassmannian流形的黎曼特性進行充分分析的基礎(chǔ)上，基于測地線移動的方式快速獲得Grassmannian碼本;利用互相無偏基(Mutually Unbiased Bases，MUB)構(gòu)造碼本。

2)基于疊加的碼本構(gòu)造方法

分析大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)空間無線信道的特點，通過多級碼本的設(shè)計方式來降低系統(tǒng)的上行反饋信道開銷，并保證空間無線信道的量化精度。例如，分別設(shè)計水平碼本集合和垂直碼本集合，在基站側(cè)通過克羅內(nèi)克積的方式形成大維度碼本。

4 小結(jié)

本文分析了大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)的基本原理，通過仿真驗證了大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)擁有巨大的頻譜效率提升能力，能非常好地滿足未來用戶對高清晰度視頻等多媒體業(yè)務的廣泛需求。另外，對信道信息獲取、天線陣列設(shè)計、碼本設(shè)計等實用化過程中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究，并給出相應的解決思路。后續(xù)研究重點將集中在大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)中廣播信道設(shè)計、功率分配、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、反饋設(shè)計等領(lǐng)域，以及大規(guī)模天線陣列技術(shù)在B4G/5G標準中的推廣和應用，滿足用戶對高清晰度視頻、手機電視等多媒體業(yè)務的需求。

［1］ RUSEK F，PERSSON D，LAU B K，et al.Scaling up MIMO:opportunities and challengeswith very large arrays［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2013，30(1):40－60.

［2］ MARZETTA T L.Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas［J］.IEEE Trans.Wireless Communications，2010，9(11):3590－3600.

［3］ NGO H Q，LARSSON EG，MARZETTA TL.Energy and spectral effciency of very largemultiuser MIMO systems［J］.IEEE Trans.Communications，2013，61(4):1436－1449.

［4］ TELATAR I.Capacity ofmulti－antenna Gaussian channels［J］.European Trans.Telecommunications，1999，10(1):585－596.

［5］ GORED A，PAULRAJA J.MIMO antenna subset selection with spacetime coding［J］.IEEE Trans.Signal Processing，2002，50(10):2580－2588.

［6］崔志明.三網(wǎng)融合下廣電網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的發(fā)展與思考［J］.電視技術(shù)，2012，36(1):77－79.