大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進展

歐陽潔

摘 要 大規(guī)模MIMO技術(shù)是基于傳統(tǒng)MIMO技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展下形成的無線通信技術(shù)，在通信領(lǐng)域中對提升通信質(zhì)量與效率具有積極影響作用，是面向5G無線通信進行研究的重要技術(shù)手段。文章從大規(guī)模MIMO的原理出發(fā)，對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)的難點與改建方案進行了簡要分析，以供參考。

關(guān)鍵詞 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)；系統(tǒng)傳輸；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號 G2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）217-0119-02

物聯(lián)網(wǎng)的興起與移動智能終端、移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新發(fā)展，對無線通信傳輸速率、質(zhì)量與效率提出了更高的要求。實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)通信可靠性、低功耗、同時頻多用戶服務(wù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，成為新時期移動通信系統(tǒng)構(gòu)建的客觀需求與必然趨勢。在此背景下，可應(yīng)用大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)，進行空間無線資源的挖掘與無線傳輸功率效率的提升。因此，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)應(yīng)成為提高系統(tǒng)高頻譜效率，面向5G無線通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于此，有必要對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)進行研究，用以促進大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)優(yōu)化發(fā)展。

1 大規(guī)模MIMO的原理

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多輸入多輸出）技術(shù)主要是指反射端與接收端分別利用多個反射天線與接受天線，進行信號的傳送與接受，對提升空間天線資源利用率，提升無線通信系統(tǒng)通道容量具有重要現(xiàn)實意義[ 1 ]。多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)最早是在1908年由Marconi提出并得到深入研究與廣泛應(yīng)用，并成為3G/4G通信系統(tǒng)建設(shè)與發(fā)展過程中至關(guān)重要的技術(shù)。

就目前無線通信系統(tǒng)實際發(fā)展現(xiàn)狀來看，無線通信系統(tǒng)通常由一個BS（base station，基站）與多個MS（mobile station，移動用戶終端設(shè)備）共同組成。因此，在實際通信過程中，需要實現(xiàn)多用戶MIMO。而在多個小區(qū)MIMO條件下，小區(qū)內(nèi)存在的干擾信號雖然可以通過應(yīng)用時分、頻分、碼分等技術(shù)進行控制或消除，但是其整體效果并不理想，需要應(yīng)用更為復(fù)雜的技術(shù)進行處理，如MLMUD（Maximum Likelihood Multi-User Detection，最大似然多用戶檢測）與DPC（Dirty Paper Coding，臟紙編碼）技術(shù)進行處理[2]。在此過程中，需要進一步提升MIMO系統(tǒng)頻譜效率與功率。

與此同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起以及移動智能終端的不斷增多、移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的創(chuàng)新發(fā)展，無線通信領(lǐng)域?qū)σ苿油ㄐ畔到y(tǒng)提出了更高的要求，增強系統(tǒng)通信容量成為必然訴求。對此，在4G通信的基礎(chǔ)上，進行了5G通信定義，提出大規(guī)模MIMO概念。而大規(guī)模MIMO的基本原理在一定程度上與相控陣?yán)走_技術(shù)中的DBF技術(shù)存在相似性，即通過加權(quán)合成實現(xiàn)目標(biāo)方向的效率效益提高，實現(xiàn)非目標(biāo)方向效益效率的降低，進行干擾方向置零處理。不同之處在于大規(guī)模MIMO從信號處理層面入手，進行具體實踐。

2 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進程

2.1 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)優(yōu)勢分析

相對與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)而言，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可實現(xiàn)空間維度資源的深度挖掘，是同一基站覆蓋范圍呃逆多個用戶實現(xiàn)同一時頻內(nèi)的有效通信，并在不增加基站目與無線帶寬的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高頻譜效率的提升。與此同時，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)在實踐應(yīng)用過程中，所形成的波束相對較窄，適用于小空間通信，促進基站與用戶設(shè)備之間傳輸鏈路上能量效率的增強，實現(xiàn)低功率基站信號發(fā)射。此外，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)的魯棒性能相對較好，則可實現(xiàn)系統(tǒng)空間自由度的提升，并在信道布置中形成零空間，實現(xiàn)干擾信號的有效防控與消除。

2.2 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)特征、難點與改進方案

就FDD（Frequency Division Duplexing，頻分雙工）MIMO系統(tǒng)而言，在FDD MIMO系統(tǒng)中，基站覆蓋范圍內(nèi)的用戶設(shè)備可預(yù)先進行下行通道的科學(xué)評估，并在此基礎(chǔ)上通過帶寬有限反饋鏈路，實現(xiàn)所評估信道量化碼本索引在基站上的有效反饋[3]。與此同時，基站通過應(yīng)用得到的通信鏈路信道屬性（Channel State Information，CSI）使FDD MIMO系統(tǒng)使用當(dāng)前信道條件，保證通信的穩(wěn)定性與可靠性。此外，通過計量波束成型矢量（下行鏈路）進行FDD MIMO系統(tǒng)傳輸性能與信號抗干擾性能的提升。

但是由于FDD MIMO系統(tǒng)中，隨著基站天線數(shù)量的不斷增多，所需要的下行信道估計導(dǎo)頻開銷也就越大（通常情況下二者成正比例關(guān)系）。但是，在FDD MIMO系統(tǒng)中，為提升基站與用戶設(shè)備之間的通信效率，基站不同發(fā)送天線的導(dǎo)頻應(yīng)存在正相交特征，對此基站天線數(shù)量相對較多。因此，F(xiàn)DD MIMO系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用需面對如下挑戰(zhàn)。

其一，在有效的導(dǎo)頻開銷條件下，系統(tǒng)將無法滿足基站大規(guī)模天線正交導(dǎo)頻要求。

其二，隨著用戶設(shè)備端帶評估信道規(guī)模的增加，對用戶設(shè)備端本身性能提出了更好的要求，加大用戶設(shè)備負(fù)擔(dān)，降低用戶設(shè)備使用壽命。

其三，用戶設(shè)備在將所評估的信道的量化碼本索引進行基站反饋時，由于反饋量相對較大，對系統(tǒng)性能、系統(tǒng)導(dǎo)頻開銷存在較高要求。

因此，在對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)進行研究時，關(guān)于FDD模式的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)研究相對較少，更側(cè)重于TDD（Time Division Duplexing，時分雙工）MIMO系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。TDD系統(tǒng)不需要成對的頻率就能夠進行各頻率資源的有效應(yīng)用，其上行鏈路與下行鏈路信道的互易性相對較強，信道估計的復(fù)雜程度與基站天線數(shù)不相關(guān)，與用戶設(shè)備數(shù)量存在正比例關(guān)系，但不會對用戶設(shè)備使用情況產(chǎn)生消極影響[4]。相對而言TDD系統(tǒng)的優(yōu)勢更為明顯，實用性更強。

就TDD系統(tǒng)而言，TDD系統(tǒng)利用信道所具有的互易性，實現(xiàn)了同一頻率信道不同時隙的信息接收與發(fā)送，并可進行上行與下行時刻轉(zhuǎn)換的靈活設(shè)置，滿足不對稱互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求。因此，在TDD系統(tǒng)中傳統(tǒng)的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸方式已經(jīng)不再適用于該系統(tǒng)，進行大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)完善與傳輸方案創(chuàng)新改革成為必然趨勢。在此過程中，需要對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)應(yīng)用過程中存在的難點進行分析，采取行之有效的措施與方法實現(xiàn)問題的解決。

通常情況下，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)應(yīng)用過程中，導(dǎo)頻污染是影響最大的導(dǎo)頻瓶頸問題。在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)傳輸過程中，由于基站天線數(shù)量相對較少（4G環(huán)境下4～8根左右），導(dǎo)頻污染、環(huán)境噪聲、干擾信號等皆對系統(tǒng)性能存在較大的影響，但是隨著基站天線數(shù)量的不斷增加（面向 5G的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸基站天線數(shù)可達到成百上千根），環(huán)境噪聲與干擾信號的影響減少，在一定程度上可忽略不計，對此導(dǎo)頻污染問題愈發(fā)凸顯，成為制約大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)應(yīng)用的主要影響因素。與此同時，在TDD系統(tǒng)中，導(dǎo)頻時長需要比信道相干時間要小，但是由于導(dǎo)頻頻域?qū)挾仍谝欢ǔ潭壬吓c用戶設(shè)備端上行帶寬存在關(guān)聯(lián)性，需要滿足小區(qū)用戶設(shè)備之間通信的導(dǎo)頻需求，對此大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)在實踐應(yīng)用過程中需要對全面頻率復(fù)用進行綜合分析，實現(xiàn)所有小區(qū)對頻率資源的有效應(yīng)用。但是在以優(yōu)先保證小區(qū)內(nèi)用戶設(shè)備導(dǎo)頻正交時，則無法保證上述目標(biāo)的有效達成，基站在導(dǎo)頻污染問題影響下，不能做出準(zhǔn)確評估，從而影響大規(guī)模MIMO系統(tǒng)應(yīng)用的整體質(zhì)量與效果。對此，為降低導(dǎo)頻污染問題對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用的影響，可進行如下方案設(shè)計與實踐。

首先，組織開展小區(qū)協(xié)作發(fā)展策略，實現(xiàn)MMSE準(zhǔn)則（最小均方誤差準(zhǔn)則）下波束成型，改善小區(qū)內(nèi)部存在的信號干擾問題。

其次，調(diào)整導(dǎo)頻分配方案，如事前對多小區(qū)進行科學(xué)分組，并在此基礎(chǔ)上進行導(dǎo)頻發(fā)射與導(dǎo)頻接收的雙向互動，避免出現(xiàn)同一時間內(nèi)所有小區(qū)用戶設(shè)備向基地發(fā)送/接收導(dǎo)頻現(xiàn)象的產(chǎn)生。此外，引用高校信道估計技術(shù)與方法，如壓縮感知技術(shù)，降低導(dǎo)頻開銷。

3 結(jié)論

總而言之，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)是在傳統(tǒng)MIMO技術(shù)延伸下形成的新興技術(shù)，對提升無線通信系統(tǒng)頻譜功率效率具有積極影響作用。由IMT-2020（5G）推進組提出的“5G概念”可知，大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)已經(jīng)成為5G無線通信領(lǐng)域研究與發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。本文通過介紹大規(guī)模MIMO系統(tǒng)原理，分析大規(guī)模MIMO系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難點與改建方案，用以對大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳輸技術(shù)具有更為深刻的認(rèn)知與了解，促進技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中的優(yōu)化應(yīng)用。

參考文獻

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