面向5G通信的Massive MIMO技術研究

【摘要】 Massive MIMO （Multiple-Input-Multiple-Output）作為傳統MIMO技術的延伸，是5G無線通信的一個重要研究方向。Massive MIMO技術是近四年來才得到飛速發展的一項新技術，它通過大量增加通信的天線數量，采用時分雙工的通信模式，使系統性能達到空前的高度。重點闡述了5G通信研究現狀、大規模MIMO系統的技術特點以及存在的技術挑戰。

【關鍵詞】 5G 大規模MIMO 導頻污染

引言

過去十多年，多輸入多輸出（MIMO）技術發展迅速，它在改善無線通信系統頻譜效率和降低系統功耗方面具有重要意義。伴隨高端智能移動終端的快速普及和移動用戶數的不斷增多，我們對移動通信數據傳輸速率的需求成指數增長，下一代移動通信系統（5G）需滿足以下要求：（1）滿足快速增長的移動通信用戶數；（2）更高的頻譜利用率和通信可靠性；（3）更低的功耗。

一、5G通信研究現狀

隨著4G進入大規模商用，5G成為全球研究的熱點。2015年2月，IMT-2020（5G）推進組在北京發布5G概念白皮書，結合關鍵能力與核心技術，提出了由“標志性能力指標+一組核心關鍵技術”共同定義的5G概念。其中標志性能力指標為“Gbps用戶體驗速率”，一組關鍵技術包括超密集組網、大規模天線陣列、新型多址、全頻譜接入等。

1.1超密集組網

超密集組網通過增加基站個數和基站覆蓋密集度，提高系統實現頻率復用效率的巨大提升。超密集組網有很多優點：用戶可以自己部署小區，大大降低了建設宏基站的成本。而且超密集組網的配置更加靈活，能夠徹底解決傳統組網方式的覆蓋盲區問題。Small cell作為傳統蜂窩網的補充，在密集組網的部署中扮演著重要角色。

1.2 Massive MIMO技術

Massive MIMO（大規模MIMO） 技術指基站配備數目龐大的天線（一般 100 或幾百根天線），移動終端采用單天線接收的通信方式。在MWC2015大會上，中興通訊采用創新的技術方案，使得商用4G終端可以在大規模MIMO基站下使用，而且可以獲得多用戶多流的空分收益，使用戶在不換終端、不等待新的空口標準的情況下，提前體驗到5G的優越性能。

1.3新型多址技術

非正交多址技術（NOMA）改變了原來在功率域由單一用戶獨占的策略，功率也可以由多個用戶共享，在接收端采用干擾消除技術將不同用戶區分開來。濾波器組多載波技術（FBMC）與傳統的OFDM技術相比，FBMC技術改變了子載波波形方案，從而在技術上可以使用大量濾波器構成的濾波器組實現。稀疏編碼多址技術主要思想是用戶信息在時域和頻域上擴展，然后將不同用戶的信息疊加在一起。

1.4全頻譜接入

全頻譜接入充分利用各種對稱與非對稱頻譜、連續與非連續頻譜、授權與非授權頻譜提升數據傳輸效率和系統性能。全頻譜接入技術會帶來超高速的無線鏈接。在日本和歐洲地區已經率先開展全頻譜接入的實驗和試點工作，同時東南亞地區正在研究利用先進的動態頻譜接入技術改善帶寬連接和頻譜利用率。如何優化頻譜共享技術加速實現商業部署是全頻譜接入技術面臨的挑戰之一。

二、大規模MIMO技術特點

LTE/LTE-A中的MIMO技術標準化進程如表1所示。

2010年底，貝爾實驗室科學家Thomas L.Marzetta 提出Massive MIMO概念[1]。大規模MIMO無線通信，在基站覆蓋區域內配置數十根甚至數百根以上天線，較4G系統中的4（或8）根天線數增加一個量級以上，這些天線以大規模陣列的方式集中放置，如圖1所示。

在TDD系統中，基站可以通過信道的互易性來估計出下行鏈路的信道狀態信息。由TDD系統信道估計可知，信道估計的復雜度與用戶數成正比而與基站天線數無關。并且TDD系統相對于FDD系統來說，具有時延低、上下行頻帶不對稱以及不對稱速率傳輸等特性，所以在大規模MIMO系統中，TDD模式比較占優勢。

天線陣列的變大使得大規模MIMO系統顯現出許多有別于傳統MIMO 的新特性。

2.1隨機變化的特性趨于確定

在傳統MIMO中，由于天線數較少，發送端和接收端形成的信道都具備各自的個體性和獨特性，相互之間關聯性較小。然而，當天線數增加到無窮時，原本屬于隨機的信道矩陣，此時各元素間將存在一定的確定性，這樣矩陣可以通過某些方式進行分解或者拓展，實現整體運算復雜度的降低。除此之外，天線陣列的孔徑越大，其精確度也將變得越高。

2.2降低用戶間干擾及不相關性

隨著基站側天線數量的增加，用戶間信道趨于正交，而當基站天線數趨于無窮時，通常嚴重影響通信系統性能的熱噪聲和不相干的小區間干擾可以忽略不計。它可以用上百數量的天線增加有用信號功率，增加信干比。同時避免了基站間的相互協調合作，降低算法復雜度。

2.3提高系統頻譜效率

Massive MIMO無線通信技術通過大幅提高基站側的天線數量，充分利用空間維度無線資源，提高系統頻譜利用率。Massive MIMO可以大幅提升小區平均頻譜效率和邊緣用戶頻譜效率。從圖2可以看出，小區用戶平均頻譜效率隨基站天線數增加幾乎成線性增加趨勢。

三、Massive MIMO的技術挑戰

大規模MIMO技術是提高移動通信系統容量的重要手段，但是從系統設計及工程實現的角度，仍然面臨著很多技術上的挑戰。

3.1信道模型

所有的無線通信系統都需要明確一個相應的系統模型，用來作為一個性能評估和對比的基礎。考慮到大規模MIMO下陣列孔徑受到限制，傳統的線性陣列已經不再適用，也許需要拓展到三維空間上的天線陣列。信道模型大規模化、信道參數分布隨陣列尺寸的變化、耦合特性、校準誤差等非理想因素給信道建模工作帶來很多挑戰。

3.2信道信息精確度及算法穩定性

大規模MIMO天線都需要高精度的CSI，信道估計的精確度、時延以及龐大的反饋開銷及處理將成為影響能否獲得較好增益的關鍵因素。信道的變化速度、覆蓋環境的復雜度、蜂窩信號的干擾強度以及反饋信息的速度，也都是影響大規模MIMO的效果和成功部署的關鍵。

盡管對大規模MIMO已經存在大量研究，但其與控制廣播信道的聯合設計以及各算法在實際復雜環境中的穩定性，還不具有足夠的實際經驗。

3.3資源調度

為了提高系統的容量，在大規模MIMO中進行傳輸時，需要對用戶進行天線配對，以形成虛擬的MIMO信道。這一過程就包括用戶之間形成分組，以及基站處天線的選擇。在用戶數較多時，頻譜資源方面的分配等問題需要重點考慮。同時，由于波束成形的需要，天線設計需要將有源電路與天線陣子進行結合，構成高度集成化的有源天線系統[5]。

3.4導頻污染

導頻污染作為一個常見的現象并不是Massive MIMO系統所特有的，但是它的影響卻是比在原來的MIMO系統中更為深刻[3]。系統性能將唯一受限于相鄰小區間重復使用相同的導頻序列所帶來的導頻污染。

為減小導頻污染，有研究者提出了移位導頻序列的方法。在不同小區之間雖然使用相同的導頻序列，但是相鄰小區之間的導頻序列在幀中所處的位置避免相互重疊。這樣即使所有用戶同時進行上行鏈路傳輸也不會發生因導頻復用而引起的導頻污染[2]。導頻序列設計示意圖如圖3所示。

四、結論

5G通信已成為全球研究的熱點，Massive MIMO由于對系統頻譜效率的巨大提升，目前已成為5G無線通信領域最具潛力的研究方向之一。導頻污染成了制約整個大規模MIMO系統性能的“瓶頸”，同時也存在很多亟待解決的問題。可以預計，Massive MIMO 技術將成為5G區別于現有系統的核心技術之一[7]。

基于Massive MIMO基本架構，本文主要探討了5G移動通信的發展現狀、Massive MIMO系統的技術特點以及目前存在的技術挑戰。

參 考 文 獻

[1] Marzetta T L， Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of BS antennas.IEEE Transactions on Wireless Communications， 2010， 9（11）： 3590～3600

[2] 房勝. 大規模MIMO系統的頻譜效率和導頻污染問題研究[D].杭州電子科技大學，2014.

[3] Jose J， Ashikhmin A， Marzetta T L， et al. Pilot contamination and precoding in multi-cell TDD systems. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2011， 10（8）： 2640～2651

[4] J. Hoydis， S. T. Brink， M. Debbah. \"Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks： How many antennas do we need？\" IEEE J. Sel. Areas Commun，vol. 31， no. 2，pp. 160-171， Feb. 2013

[5]畢奇，謝偉良，陳鵬. LTE多天線技術發展趨勢[J]. 電信科學，2014，10：1-7.

[6 Rusek F， Persson D， Lau B K， et al. Scaling up MIMO： Opportunities and challenges with very large arrays. IEEE Signal Processing Magazine， 2013， 30（1）： 40～60

[7]Larsson E G， Tufvesson F， Edfors O， et al. Massive MIMO for next generation wireless systems. IEEE Commun Mag，2014， 52： 186-195