大規(guī)模MIMO 無線通信關(guān)鍵技術(shù)

薛國(guó)浪 張金才 福建省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

引言

目前，無限通信技術(shù)取得了顯著的發(fā)展成果，雖然4G 通信的速率已經(jīng)非常高，但是為了持續(xù)完善信號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)，降低信息傳輸中的能耗，移動(dòng)通信領(lǐng)域已經(jīng)逐漸推出了5G 的通信技術(shù)。這一發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以大規(guī)模MIMO 技術(shù)作為支持，該技術(shù)消除了傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)中的很多問題，配置更多的天線來改善信號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)，深入挖掘空間維度的資源，提高通信系統(tǒng)的頻譜，消除信息傳輸中的各種復(fù)雜性，雖然該技術(shù)目前仍舊在探索發(fā)展中，但是已經(jīng)成為未來通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)展的趨勢(shì)。

一、大規(guī)模MIMO 技術(shù)

作為一種高速率的無線通信手段，MIMO 技術(shù)始終處于持續(xù)發(fā)展的狀態(tài)，具體是指利用數(shù)個(gè)發(fā)射和接受天線，在不改變發(fā)射功率、不擴(kuò)展頻譜資源的前提下，就實(shí)現(xiàn)通信品質(zhì)的提升。因?yàn)樵摷夹g(shù)具有極大的實(shí)踐優(yōu)勢(shì)，所以在市場(chǎng)需求的激勵(lì)下獲得了高速發(fā)展，雖然4G 技術(shù)已經(jīng)具備非常高效的傳輸速率，但仍舊無法適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)對(duì)于無線通信的需求，這是因?yàn)橐酝腗IMO 技術(shù)能耗過大，而且需要復(fù)雜的計(jì)算過程，存在延時(shí)問題等。所以，在這樣的背景下，逐漸發(fā)展出了大規(guī)模的MINO 技術(shù)，通過增加天線數(shù)目實(shí)現(xiàn)更高效暢通的無線通信過程，只是需要改造基站狀況，并不需要對(duì)智能終端進(jìn)行更新，用最小的成本來擴(kuò)展系統(tǒng)的頻帶利用效率。總體而言，大規(guī)模MIMO 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)如下：

第一，以往的MIMO 技術(shù)中，信號(hào)覆蓋的面積較為有限，以8 天線為例，信號(hào)往往只能水平方向覆蓋，而無法擴(kuò)展到垂直的方向，相對(duì)于所有的信號(hào)呈平面狀發(fā)射，而在大規(guī)模MIMO 技術(shù)中，不僅可以水平發(fā)射信號(hào)，還引入了垂直的信號(hào)發(fā)射維度，整個(gè)信號(hào)的傳輸狀態(tài)類似于電磁波束，極大地?cái)U(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)容量。

第二，因?yàn)樘炀€的數(shù)量增加，在信號(hào)發(fā)射中會(huì)產(chǎn)生信號(hào)疊加的情況，而每個(gè)單獨(dú)天線所需的功率非常小，不必通過功率放大器，有效地降低了硬件設(shè)備的成本。

第三，與有線的通信傳輸過程不同，無線信號(hào)的傳輸路徑較為復(fù)雜，傳輸信道具有一定的隨機(jī)性，可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)延時(shí)的情況，但是在大規(guī)模MIMO 技術(shù)的支持下，信道的品質(zhì)非常穩(wěn)定，簡(jiǎn)化了信號(hào)傳輸中的復(fù)雜性，抗干擾能力增強(qiáng)，避免了延時(shí)情況的發(fā)生。

二、大規(guī)模MIMO 無限通信的重要技術(shù)

（一）多用戶傳輸技術(shù)

這是MIMO 技術(shù)持續(xù)更新和發(fā)展的保障，也是當(dāng)前所面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)，為了實(shí)現(xiàn)高效的傳輸過程，就需要提升基站與智能移動(dòng)端獲得信道信息的水平，這直接決定著通信過程中多用戶傳輸技術(shù)的應(yīng)用。就當(dāng)前的實(shí)際情況中，對(duì)于基站或者用戶端而言，基本都無法及時(shí)獲取全面的信號(hào)，很多系統(tǒng)中都在使用貝爾實(shí)驗(yàn)室提供的方式，來設(shè)計(jì)信道傳輸?shù)男问剑簿褪峭ㄟ^TDD系統(tǒng)來完成傳輸過程，該系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)特征，比如上下行信道的互易。需要先認(rèn)定從信道中獲得的參數(shù)估計(jì)值，將其作為真實(shí)數(shù)值，同時(shí)據(jù)此來處理相關(guān)業(yè)務(wù)，比如接受上行的信息，同時(shí)完成信息的傳輸?shù)倪^程。在這樣傳輸方案中，基站很容易就獲得信道的狀態(tài)信息，但是隨著用戶端的持續(xù)增加，整個(gè)處理過程變的非常復(fù)雜，該方案幾乎不再適用，所以該問題逐漸成為技術(shù)瓶頸，還在持續(xù)探索和研究中。

（二）信道估計(jì)

無限信道是影響通信品質(zhì)的關(guān)鍵因素，受各種遮擋物和外界氣候的影響，在信號(hào)傳輸中容易出現(xiàn)慢衰落的問題，也就是說，信號(hào)的傳輸路徑存在復(fù)雜性，具有不可預(yù)見的特性。為了保障信道的品質(zhì)，就需要進(jìn)行信道估計(jì)，通過信道的各項(xiàng)信息來估計(jì)信道的模型參數(shù)，進(jìn)而調(diào)整信號(hào)信息，這是衡量通信系統(tǒng)品質(zhì)關(guān)鍵因素。目前常用的信道估計(jì)方式有三種：一是盲估計(jì)，也就是利用傳輸信號(hào)的一些數(shù)理特性來完成估計(jì)過程，不需要借助導(dǎo)頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的劃分，有效處理導(dǎo)頻污染的情況。二是導(dǎo)頻的方式，主要是引入冗余，然后在傳輸信號(hào)的過程中融入導(dǎo)頻，這個(gè)信道估計(jì)的方式不需要復(fù)雜的計(jì)算過程，比較容易操作和實(shí)現(xiàn)，是經(jīng)常被使用的估計(jì)方法。但是在這樣的估計(jì)過程中，一般需要很多導(dǎo)頻信號(hào)，也就存在導(dǎo)頻污染的情況，估計(jì)的結(jié)果可能會(huì)受到影響。三是半盲估計(jì)，這是基于上述兩種估計(jì)之間的一種方式。

（三）天線技術(shù)

天線數(shù)量大幅度增加是該技術(shù)最明顯的變化，根據(jù)不同的通信需求，可以給基站增加數(shù)十個(gè)甚至上百個(gè)天線，進(jìn)而形成相異的系統(tǒng)模式。總體而言，能夠?qū)⑵鋭澐譃閮煞N類型：一是集中式，即在某個(gè)基站上集中配置大量天線，二是分布式，即將天線分別配置于各個(gè)節(jié)點(diǎn)。無論采用何種方式來配置天線，都是為了獲得更大的空間維度，進(jìn)而提升通信效率：

第一，將天線的數(shù)目保持在某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在處理信號(hào)方面比較便利，而且不需要復(fù)雜的計(jì)算過程，相關(guān)儀器就會(huì)以最優(yōu)質(zhì)的性能運(yùn)行。

第二，通過合理的天線配置，讓信號(hào)在傳輸中呈現(xiàn)為電磁波束，這樣就會(huì)降低信號(hào)傳輸中的復(fù)雜性，避免復(fù)雜路徑的干擾，同時(shí)，不需要擴(kuò)展基站，只是不斷擴(kuò)展空間維度，有利于提升信號(hào)的分辨率，而且傳輸?shù)男屎皖l率都極大提升。

第三，相比較于之前的MIMO 技術(shù)，由于天線的數(shù)目大規(guī)模增加，各個(gè)天線的功率降低，整個(gè)系統(tǒng)的能效有所保障。

（四）信道模型和系統(tǒng)性能

要想充分發(fā)揮大規(guī)模MIMO 技術(shù)的價(jià)值，就需要建立完善的通信傳輸系統(tǒng)，而在通信系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，系統(tǒng)性能以及信號(hào)傳輸?shù)男诺滥Ｐ褪潜仨氁紤]的基礎(chǔ)問題。在新型MIMO 技術(shù)的支持下，基站配置了大量的天線，形成了陣列型的模式，極大地?cái)U(kuò)展了信號(hào)傳輸?shù)男诺揽臻g，但是在通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也面臨全新的問題，目前仍舊處于實(shí)踐研究的階段，關(guān)于信道的研究發(fā)現(xiàn)較少。另外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須重視頻譜和效率因素，為了確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，需要構(gòu)建完善的信道模型，詳細(xì)解釋信道的相關(guān)特性，估計(jì)系統(tǒng)的頻譜和功率效率等因素，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)參考。目前，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面臨的主要問題就是導(dǎo)頻污染，有研究發(fā)現(xiàn)，可以通過基站聯(lián)合實(shí)現(xiàn)編碼統(tǒng)計(jì)工作，有利于處理導(dǎo)頻污染的情況。

三、結(jié)束語

綜上所述，在傳統(tǒng)MIMO 技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過增加基站的天線數(shù)量，深入挖掘信息傳輸空間維度的資源，已經(jīng)成為通信技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，由于不需要增加寬帶與功率，而且通過天線數(shù)目的擴(kuò)展，降低了單個(gè)天線的功率，也就節(jié)約了一定的硬件成本，所以該技術(shù)非常符合節(jié)能理念。同時(shí)，在大規(guī)模MIMO 技術(shù)中，信道的品質(zhì)較好，信號(hào)傳輸過程中的復(fù)雜性降低，遭受外界客觀環(huán)境干擾的情況減少，信號(hào)傳輸?shù)钠焚|(zhì)有所保障，基本不會(huì)發(fā)生延時(shí)的情況。雖然MIMO 技術(shù)的發(fā)展面臨一定瓶頸，但是在持續(xù)的研究中必然會(huì)發(fā)現(xiàn)最佳的解決之道，逐漸攻破技術(shù)方面的局限，充分發(fā)揮大規(guī)模MIMO 技術(shù)的價(jià)值，促進(jìn)5G 時(shí)代的來臨。