大規模MIMO 無線通信關鍵技術探究

薛纏明，趙翔宇，王繪州，郎明世

（太原衛星發射中心，山西 太原 036301）

0 引 言

隨著移動通信業務需求的迅速增長，通信系統需要更大的容量和更高的傳輸速度。大規模多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）無線通信技術是系統擁有大量的天線，從而顯著提升系統容量。通過應用波束賦形和空間復用技術，大規模MIMO 無線通信技術能夠獲得更強的信號增益，成為5G 通信的核心技術。為更有效地滿足用戶需求，文章深入研究大規模MIMO 無線通信技術，以推動國內移動通信事業不斷發展。

1 MIMO 的基本特征

在通信技術發展的早期階段，通信通過點對點的方式實現數據傳輸。隨著時間的推移，MIMO 無線通信技術在此基礎上得到了發展[1]。在發射端安裝大量天線獨立傳輸信號，在接收端利用多個天線同時接收信號，使同步傳輸和接收多個信息流成為可能。單用戶MIMO 如圖1 所示。隨著天線規模的擴大，無線信道系統的容量相應增加，顯著提高了無線信道的容量。由于發送端和接收端位于各自的空間域，即使天線使用相同的頻段發送信號，接收機也能根據各種空間域識別不同的信號，這就是空間復用技術[2]。在多個用戶設備同時傳送信息的情況下，即多個終端設備將信息發送到一個基站時，需要考慮多用戶情況。與單用戶相比，多用戶擁有多個地址接入信道。多用戶MIMO 如圖2 所示。在具體應用中，不同用戶之間的距離通常較遠，非常適合進行信息的并行傳輸，因此多用戶能夠顯著提高系統的傳輸速度以及頻譜的利用效率。

圖1 單用戶MIMO

圖2 多用戶MIMO

在大規模MIMO 無線通信技術的實際應用中，合理擴大基站側天線的規模，對于深入挖掘無線資源并提高系統頻譜的利用效率具有重要意義。然而，該過程必須克服技術困難，防止基站側天線規模擴大導致無線傳輸出現問題，并主動探索無線通信傳輸技術的新途徑[3]。隨著科技的快速發展，大規模無線通信技術不斷涌現，已經成為研究者們的熱門課題。然而，在目前的研究成果中，大規模MIMO 無線通信系統的全面信道理論和實測建模還沒有得到普遍認可。現有的通信傳輸方案大多基于貝爾實驗室的設計思路，設置為單天線形式，且用戶規模較小，與基站天線規模相差很遠。因此，對于大規模通信技術的探索仍處于初級階段，需要積極尋找與實際情況相符的模型。在建立信道模型和合理導頻開銷的基礎上，需要分析頻譜和功率效果。同時，對于信道信息的獲取方式、傳送模式以及技術手段，需要進一步深入分析，以充分發掘技術優勢，并應用于實際場景，突破通信中的導頻開銷和數據采集瓶頸。這些技術對于用戶共享無線資源、有效處理復雜問題以及系統相關運用問題等具有重要作用。在通信技術快速發展的時代背景下，移動通信技術的進一步深入，對功率和頻譜效率提出了更高要求。通過深入開發無線通信資源，可以有效增強無線通信的頻譜效率，實現低碳發展。

2 大規模MIMO 無線通信技術介紹及其優勢

2.1 大規模MIMO 無線通信技術

大規模MIMO 無線通信技術也被稱為大規模天線系統。傳統的天線安裝通常是2 根或4 根，但大規模MIMO 無線通信技術配置了成百上千根天線。該技術巧妙結合了空間復用技術，利用與傳統通信相同的頻帶資源，擴大了系統容量[4]。目前，對于大規模MIMO 無線通信技術的研究主要涉及3 個方面，即硬件配置、信號傳輸技術以及系統性能。

2.2 大規模MIMO 無線通信技術的優勢

與傳統通信技術相比，大規模MIMO 無線通信技術具有諸多優勢。首先，基站端的天線規?？焖贁U張，利用低頻帶波束進行無線通信，使多用戶信道表現出獨立同分布的特性。這體現在不同傳輸信道之間存在正交性，能夠有效抑制和消除用戶間干擾，降低通信延遲，提高系統傳輸速度。其次，與傳統通信系統相比，基于大規模MIMO 無線通信技術系統擁有數量級更多的基站端天線，使得天線陣列的增益更高。通過信號包絡恒定原則和應用波束成形技術，大規模MIMO 無線通信技術能夠充分利用空間的相關性，大大降低了數據在發送端的功耗，實現了更低的系統配置，顯著降低了硬件成本。最后，基站端安裝的天線規模龐大，可以視為天線規模趨近無窮大。大規模MIMO 無線通信系統的傳輸信道會表現出極快的均衡衰落，顯著降低了窗口的等待時長，大幅減少了通信延遲，使用戶擺脫了長時間衰落的狀態。

大規模MIMO 無線通信技術顯著增強了整個系統的傳輸容量，但在實踐應用中仍存在許多需要突破的技術難題，需要進一步研究和解決，以充分發揮大規模MIMO 無線通信技術的作用。

3 大規模MIMO 無線通信關鍵技術

3.1 大規模MIMO 信道建模技術

對于大規模MIMO 無線通信技術而言，信道建模是最本質和最主要的理論分析手段。準確的高質量信道建模不僅能夠為理論分析提供必要條件，還能推動其他技術的發展和系統改革[5]。目前，在大規模MIMO 無線通信信道建模方面的研究已經取得了許多創新性的理論成果。

分析大規模MIMO 無線通信系統模型的過程中，需要重點關注頻譜效率、能效以及功耗，并將這些數據作為信道建模的前提條件。研究者們利用真實通信系統內的大規模具體配置進行信道建模模擬，從而獲得與實際傳輸信道基本一致的信道模型，能夠準確反映大規模MIMO 無線通信技術在實際通信中的性能，為進一步的技術優化和系統設計提供重要參考。

與傳統通信技術相比，大規模MIMO 無線通信技術最顯著的特點是擁有龐大的天線數量，不僅能夠擴大信道容量，還使得信道空間相關性更加復雜。因此，實際應用過程中存在多種信道模型，而非單一的模型。目前的信道建模工作缺乏統一安排，主要包含實測階段和推理階段。實測階段指通過詳細測量真實通信系統內不同無線信道的參數以獲取實驗數據，為后續的理論探索提供基礎。推理階段則是指利用真實的已有數據，運用數學和物理知識，為具體的測量提供理論支持。盡管信道建模在實踐中有不同的類別，但基本上通過實測和推理形式完成。因此，必須將推理和實測有機結合，以統一的方法推進信道建模工作。目前，解決導頻污染問題是當前大規模MIMO 無線通信技術的重要任務。該問題并未隨著天線規模的擴大而得到有效解決，可能會在大規模MIMO 無線通信技術的具體應用過程中引發較大問題。如果能夠獲得精確的信道建模數據，則能夠有效解決這一問題。

3.2 大規模MIMO 的CSI 獲取技術

在無線通信系統中，信道狀態信息（Channel State Information，CSI）的完善程度與無線通信的水平密切相關。為有效利用大規模MIMO 無線通信技術，必須獲得精準的CSI。如果能夠借助推理和經驗方法獲取精確的CSI，則有利于后續工作的開展。對于無線通信系統，獲得精準的CSI 是極其重要且必不可少的步驟。在大規模MIMO 無線通信系統中，下行鏈路展開預編碼過程需要準確的CSI，否則上下行通信無法順利進行。大規模MIMO 無線通信系統通常包含2類通信模式，即時分雙工（Time Division Duplexing，TDD） 和頻分雙工（Frequency Division Duplexing，FDD）。這2 種通信方式在獲取信道狀態信息的途徑方面存在根本性差異[6]。TDD 模式內的一個重要特性是互易性，即上行鏈路的信道狀態信息可以用于下行鏈路。然而，FDD 模式內沒有這樣的特性。因此，在頻分雙工模式中，下行鏈路的信道狀態信息需要從用戶端進行信道估計，然后將信息發送給基站。對于大規模MIMO 無線通信技術的應用而言，獲取精準的信道狀態信息至關重要。不同的通信方式可能需要不同的獲取途徑，這需要在系統設計和優化中予以充分考慮。

3.3 毫米波通信技術

毫米波通信技術是有效應對無線通信頻譜資源匱乏的主要方式。毫米波通信的工作頻段為30 ～300 GHz，波長保持在1 ～10 mm。隨著大規模MIMO無線通信技術的進步，毫米波通信的優勢將更為顯著。在毫米波通信中，由于大氣衰減的存在，計算時需要考慮電磁波在大氣中的傳輸特性。氧氣分子和水蒸氣在毫米波頻段內會引起信號衰減，而這種衰減與頻率密切相關。然而，與低頻段無線電波相比，毫米波通信在傳輸中更易受到頻率選擇性吸收，因此更適用于短距離大規模無線傳輸。在通信系統中，當用戶規模急速擴張時，TDD 和FDD 的性能都會大幅降低。這是由于用戶規模的急速擴張導致導頻規模極度匱乏，尤其在TDD 場景下，需要注意導頻的二次應用，從而造成導頻污染問題。在FDD 模式下，由于用戶規模急速擴張和天線規模的增大，通過下行反饋模式獲得的信道狀態信息會大幅增加開銷。若想充分發揮大規模MIMO 無線通信技術的作用和價值，必須有效解決導頻污染問題。在TDD 和FDD 之間進行比較，若能找到有效的方式抑制導頻干擾，則可以獲得更高準確度和更少開銷的信道狀態信息。因此，解決導頻污染問題是確保大規模MIMO 無線通信技術發揮作用的關鍵。

4 MIMO 無線通信技術的發展前景

6G 通信系統利用人、機、物之間的智能互聯，能夠實現從移動互聯到萬物互聯，甚至萬物智聯的飛躍。而大規模MIMO 無線通信技術通過對空間維度資源的充分開發，顯著增強了通信網絡的容量，成為現階段和未來物理層的核心技術。隨著移動通信系統不斷向海量天線和高頻段演進與發展，通信技術和感知技術在硬件結構、信道特性、信號處理模式等層面逐漸趨于統一。有機融合大規模MIMO 無線通信技術與通信感知一體化技術，并利用大規模天線陣列提供更強大的空間判斷能力，能夠極大增強感知能力的潛能。同時，通過將感知能力融入通信系統，能夠更加方便地獲取信道狀態信息，完成波束成形設計，從而提升通信服務的效率和質量。因此，大規模MIMO 無線通信技術有望同時實現高速率的通信和高精準性的感知，有效推動未來車聯網、智能家居、工廠等應用的進步。大規模MTMO 無線通信感知一體化應用場景如圖3 所示。

圖3 大規模MTMO 無線通信感知一體化應用場景

面對未來的6G 移動網絡，大規模MIMO 無線通信技術有望與其他物理層核心技術良好融合、共同演進。一是極端規模技術。該技術能夠實現對大規模MIMO 無線通信技術的進一步演化、進化以及更新，提高大規模MIMO 無線通信技術的頻譜和能量效率，不斷增強其性能。由于其具備出色的空間判斷能力，可以獲取更多種類的信息，幫助感知和判斷視距或非視距傳播。同時，該技術擁有優化的波束成形水平，可以提供非地面覆蓋，有效監控低空的無人機等。在高速移動情境中，通過信息感知實現快速波束對準和動態追蹤，增強城市復雜環境下位置服務的安全性。二是無蜂窩大規模MIMO 無線通信技術。該技術借助各基站之間的合作，全面消除各小區之間的干擾，顯著提升網絡容量，并具備增強感知能力的潛能。通過在更廣闊的地理范圍內設置更多分布型小基站，遠端無線單元通過多接入口獲得目標的回波信息，提升信號接收水平。海量的感知數據通過分布型射頻與天線回傳至中央處理單元，借助多個節點的合作與多個基站的協同計算，實現追蹤、定位以及成像等高精度功能需求，為分布型和網絡化的感知提供保障。三是智能超表面（Reconfigurable intelligent surface，RIS）。該技術具備諸多獨有的優勢，如成本低、能耗小、設置難度低等，是6G 網絡中的一項核心技術。RIS 能通過無線中繼靈活操控信道環境，向通信感知一體化（Integrated Sensing And Communications，ISAC）提供特殊的非視距感知渠道，增強感知的覆蓋范圍及其穩定性。RIS 和大規模MIMO 技術互相融合，深入發展成為全息技術，不僅能減少成本，還能提供更大的天線孔徑，同時在基站或空中平臺的設置更簡單。借助機動化波束指向與聚焦波束發射，可進一步增強感知的精準程度。

5 結 論

大規模MIMO 無線通信技術是無線技術未來的發展方向，其中關鍵要素包括信道建模技術、獲取技術以及毫米波通信技術。在未來的通信感知集約型應用場景中，這些技術發展前景廣闊。因此，業內技術研究者需要著重探討這些關鍵技術，并通過突破關鍵技術的難點，實現大規模無線通信的目標。