下一代無線通信系統(tǒng)中的MIMO技術(shù)應(yīng)用

摘要：MIMO技術(shù)作為無線通信領(lǐng)域的新技術(shù)，憑借其高頻譜利用率、高系統(tǒng)吞吐率等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)，如LTE、LTE-A、802.11n/ac等。大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）技術(shù)是無線通信領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破，其利用超大規(guī)模的服務(wù)天線以及TDD（時(shí)分雙工）配置來服務(wù)激活態(tài)終端，為下一代無線通信系統(tǒng)應(yīng)用開辟了廣闊前景。介紹了MIMO的演進(jìn)技術(shù)——大規(guī)模MIMO及其應(yīng)用前景。作為MIMO技術(shù)的演進(jìn)，大規(guī)模MIMO技術(shù)利用額外的天線把能量集中在更小的空間區(qū)域，帶來吞吐量和輻射能量效率的大幅提升，以及更低的時(shí)延和更好的魯棒性。但相比于傳統(tǒng)MIMO通信技術(shù)，大規(guī)模MIMO面臨全新的技術(shù)難題。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO；OFDM；CDF；TDD系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.143797

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2015）002010902

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：李冉（1982-），男，江蘇徐州人，江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州財(cái)經(jīng)分院信息技術(shù)系講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

0引言

MIMO技術(shù)依賴于發(fā)射端與接收端的多天線配置在無線通信系統(tǒng)中發(fā)射多流數(shù)據(jù)，當(dāng)MIMO被應(yīng)用于多個(gè)終端，并實(shí)現(xiàn)通信時(shí)，就是多用戶MIMO技術(shù)。多用戶MIMO相比于傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)MIMO擁有更大的優(yōu)勢(shì)，其工作在廉價(jià)的單天線終端的同時(shí)卻不需要富散射環(huán)境，而且，由于所有激活態(tài)的終端充分利用了時(shí)頻塊，因而其資源分配要簡(jiǎn)化很多。MUMIMO在蜂窩網(wǎng)方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①數(shù)據(jù)速率提升：更多的天線會(huì)帶來更多的獨(dú)立數(shù)據(jù)流被同時(shí)發(fā)射到更多的終端；②可靠性增強(qiáng)：更多的天線可以帶來無限信號(hào)更多獨(dú)立的輻射路徑；③能量效率改善：基站在確知終端位置的情況下，可以更集中地輻射到終端空間方位；④干擾抑制：基站可以有目的地避免干擾信號(hào)使得期望輻射能量更集中。

盡管上述優(yōu)勢(shì)并不能同時(shí)達(dá)到，而且對(duì)于傳播環(huán)境也有要求，但是這些優(yōu)勢(shì)仍然帶來了很大益處。無線通信中的MU-MIMO技術(shù)在傳統(tǒng)應(yīng)用方式上已經(jīng)很成熟，并已并入了最近演進(jìn)的例如4G LTE和LTE-A的無線寬帶標(biāo)準(zhǔn)。更多的基站端（或者終端）天線意味著更好的上述4個(gè)方面的性能。然而，最新的標(biāo)準(zhǔn)LTE-A僅僅允許在基站端配置8口天線，在當(dāng)下的天線規(guī)模遠(yuǎn)小于大規(guī)模MIMO的天線配置＼[1＼]。

下一代無線通信系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)性能提出了更高的要求，不僅僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)速率的提升上，更多地是能量效率以及可靠性的提升。相比現(xiàn)有通信系統(tǒng)，下一代通信系統(tǒng)在滿足更好的峰值速率、低時(shí)延、高系統(tǒng)吞吐率、移動(dòng)性的同時(shí)，提出了異構(gòu)網(wǎng)、多網(wǎng)互聯(lián)、綠色基站等新概念。

1MIMO演進(jìn)技術(shù)：大規(guī)模MIMO

MIMO作為L(zhǎng)TE系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，在傳統(tǒng)時(shí)域、頻域的2個(gè)通信維度上引入了第3通信維度：空域。在不帶來額外頻譜開銷的情況下，依賴于空分復(fù)用方式，MIMO技術(shù)可以大幅提升系統(tǒng)容量。下一代無線通信系統(tǒng)在通信性能上提出了更高的要求，憑借其巨大的優(yōu)勢(shì)，MIMO技術(shù)無一例外將作為下一代無線通信系統(tǒng)候選技術(shù)并進(jìn)行長(zhǎng)期演進(jìn)。傳統(tǒng)LTE/LTEA系統(tǒng)定義的2*4，4*8的規(guī)模已經(jīng)無法滿足下一代通信系統(tǒng)需求，必須考慮在MIMO規(guī)模上進(jìn)行大幅擴(kuò)充。大規(guī)模MIMO是一種新興的通信技術(shù)，通過擴(kuò)大MIMO規(guī)模的數(shù)量級(jí)來達(dá)到更優(yōu)性能。目標(biāo)實(shí)現(xiàn)在一個(gè)時(shí)頻資源內(nèi)以幾百個(gè)天線陣列同時(shí)服務(wù)幾十個(gè)終端的規(guī)模。大規(guī)模MIMO的前提是在保證所有傳統(tǒng)MIMO優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上獲得更大規(guī)模的增益，帶來了下一代無線通信系統(tǒng)的高效、安全及高魯棒、高頻率效率的寬帶網(wǎng)絡(luò)部署的可能性，提供了未來利用社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)備連通人的網(wǎng)絡(luò)、物的網(wǎng)絡(luò)以及云和其它網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)備的契機(jī)。

到目前為止，關(guān)于大規(guī)模MIMO在下一代無線通信中的應(yīng)用更多還是理論上的研究，特別是隨機(jī)矩陣?yán)碚摵拖嚓P(guān)數(shù)學(xué)研究上的仿真。同時(shí)，基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及初步信道測(cè)量也在逐步進(jìn)行中。

大規(guī)模MIMO依賴于空分復(fù)用，轉(zhuǎn)而要求基站端有良好的上行與下行信道信息。對(duì)于上行而言，通過獲取基站發(fā)射的導(dǎo)頻，基站可以很好地對(duì)每個(gè)終端進(jìn)行信道響應(yīng)估計(jì)，而對(duì)于下行而言卻很難。例如LTE標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)，基站基于終端估計(jì)的信道響應(yīng)通過量化反饋到基站端來發(fā)射導(dǎo)頻波。但對(duì)于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)而言卻不適用，一方面是由于高移動(dòng)性的環(huán)境因素，另一方面是基于發(fā)射的導(dǎo)頻規(guī)模以及信道估計(jì)的復(fù)雜度考慮。

2大規(guī)模MIMO的巨大潛力

大規(guī)模MIMO技術(shù)依賴于基站端所有天線的相位相干和計(jì)算簡(jiǎn)化的信號(hào)處理。相比當(dāng)前MIMO系統(tǒng)，大規(guī)模MIMO可以提升至少10倍的信道容量，同時(shí)可以提高近100倍的輻射能量效率，在數(shù)據(jù)速率上開辟了下一代無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景。容量的提升得益于大規(guī)模MIMO中使用的高效空分復(fù)用。由于采用了大量的天線陣元，輻射能量根據(jù)波的相干疊加特性，高度集中在一個(gè)空間內(nèi)的很小區(qū)域，使得輻射能量效率大幅提升。通過對(duì)發(fā)射信號(hào)的“賦形”，基站端可以確保所有的波前端疊加后共同輻射到期望終端，而不是無目的（隨機(jī)）地輻射到其它地方。

大規(guī)模MIMO由廉價(jià)、低成本的陣元組成。無論是對(duì)于理論、系統(tǒng)，還是實(shí)現(xiàn)等方面來說，大規(guī)模MIMO都是一種顛覆性的技術(shù)。利用大規(guī)模MIMO，使用于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的高昂的高線性性能50瓦特放大器將被替換為幾百個(gè)輸出功率只有毫瓦級(jí)的低能耗放大器。一個(gè)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)擁有大量的剩余通信自由度，這些自由度可以被用于更易于硬件實(shí)現(xiàn)的信號(hào)“賦形”。大規(guī)模MIMO 建立的“綠色”基站很好地滿足了下一代無線通信系統(tǒng)對(duì)于能源效率、輻射效率的需求＼[2＼]。

大規(guī)模MIMO提供了減少空口時(shí)延的可能。無線通信系統(tǒng)的性能普遍受到衰落的制約，衰落使得接收端接收的信號(hào)強(qiáng)度在某些時(shí)候很弱。當(dāng)信號(hào)由基站端發(fā)射出去，在接收端接收前歷經(jīng)多徑環(huán)境而產(chǎn)生衰落，信號(hào)受到多徑破壞性的干擾。正是因?yàn)樗ヂ涮匦圆糯偈菇⒁粋€(gè)低延遲的無線鏈路。下一代無線通信系統(tǒng)的發(fā)展重點(diǎn)在于不同網(wǎng)絡(luò)的兼容與融合，低的空口時(shí)延提供了數(shù)據(jù)傳輸與信令控制的良好鏈路環(huán)境。

另外，大規(guī)模MIMO簡(jiǎn)化了多址接入層的結(jié)構(gòu)。歸咎于大數(shù)定律，信道響應(yīng)趨于穩(wěn)定，以至于頻域調(diào)度的貢獻(xiàn)不再明顯。利用OFDM（正交頻分多路復(fù)用）技術(shù)，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的每個(gè)子載波實(shí)質(zhì)上擁有相同的信道增益。每個(gè)終端可以被給予全部的帶寬，使得大部分的物理層控制信號(hào)冗余＼[3＼]。大規(guī)模MIMO提升了針對(duì)無目的性人為干擾以及蓄意干擾的魯棒性。民用無線系統(tǒng)的蓄意干擾已經(jīng)日漸成為一個(gè)嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)安全問題，這是下一代通信系統(tǒng)必須考慮的問題。由于帶寬資源的缺乏，以頻率資源承載信息并不靈活，所以提升無線通信魯棒性的唯一辦法就是利用多天線。大規(guī)模MIMO提供了大量剩余自由度可以被用于消除蓄意干擾。如果大規(guī)模MIMO應(yīng)用于上行導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)，則智能干擾可以產(chǎn)生適度發(fā)射功率的有害干擾。采用聯(lián)合信道估計(jì)和解碼方案可以從實(shí)質(zhì)上解決上述問題。

3大規(guī)模MIMO的限制因素

大規(guī)模MIMO技術(shù)在下一代通信系統(tǒng)中擁有巨大的潛力及應(yīng)用前景，但同時(shí)也帶來了一些限制因素和技術(shù)難點(diǎn)。這不僅僅是MIMO技術(shù)本身的難點(diǎn)，同時(shí)也涵蓋了“大規(guī)?！边@一概念所帶來的限制因素。

3.1信道互易性

TDD系統(tǒng)依賴于信道的互易性，這與無線傳播信道本身互易一致，除非受到特殊電磁特性材料的影響。然而，基站端和終端接收機(jī)的硬件鏈路在上行和下行間可能不滿足互易性。不過，基于校準(zhǔn)機(jī)制的解決方案已經(jīng)在實(shí)踐中較好解決了這個(gè)問題，但對(duì)于FDD系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO的難度仍然很大，因而下一代無線通信系統(tǒng)中的TDD-MIMO擁有巨大優(yōu)勢(shì)。

3.2導(dǎo)頻污染

理想情況下的大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，每個(gè)終端都被分配了一個(gè)正交的上行導(dǎo)頻序列。然而，正交導(dǎo)頻序列的數(shù)量上限是存在的，其上限依賴于信道相干時(shí)間間隔除以信道時(shí)延擴(kuò)展。對(duì)于一個(gè)典型的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，正交導(dǎo)頻序列的數(shù)量在一個(gè)毫秒級(jí)的相干間隔下大約有200個(gè)。在多蜂窩系統(tǒng)下，很容易耗盡為數(shù)不多的導(dǎo)頻資源。

從一個(gè)小區(qū)到另外一個(gè)小區(qū)的導(dǎo)頻重用，并與負(fù)面導(dǎo)頻聯(lián)合起來的現(xiàn)象被稱作“導(dǎo)頻污染”。具體而言，當(dāng)服務(wù)天線陣列與特定終端相關(guān)的導(dǎo)頻序列接收的導(dǎo)頻信號(hào)相關(guān)時(shí)，導(dǎo)致包含了被共享在一個(gè)與信道線性組合的導(dǎo)頻序列的其它終端所“污染”的信道估計(jì)。導(dǎo)頻污染作為一種普遍現(xiàn)象，并不是針對(duì)大規(guī)模MIMO，但是這種現(xiàn)象對(duì)大規(guī)模MIMO的影響要遠(yuǎn)大于經(jīng)典MIMO系統(tǒng)。業(yè)界很多人士認(rèn)為，導(dǎo)頻污染將成為大規(guī)模MIMO在下一代通信系統(tǒng)應(yīng)用性能的最終限制，然而，在一些特定的采用功率控制的假設(shè)下，這種觀點(diǎn)也受到質(zhì)疑。如果信道基于導(dǎo)頻被很好地估計(jì)出來，那么導(dǎo)頻污染就要用某種方式去解決。下一代無線通信系統(tǒng)更多要考慮通過優(yōu)化導(dǎo)頻信號(hào)分配方式，以及更合理的信道估計(jì)算法和新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)預(yù)編碼方式等來解決大規(guī)模MIMO中的導(dǎo)頻污染問題。

3.3無線傳播環(huán)境和信道響應(yīng)的正交性

大規(guī)模MIMO很大程度上依賴于良好的無線傳播環(huán)境，簡(jiǎn)言之，良好的無線傳播環(huán)境意味著基站端與不同終端的信道響應(yīng)具有足夠的差異性。當(dāng)然，真實(shí)天線陣列的信道測(cè)量是研究大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的前提，如何在大規(guī)模天線情況下也保證天線間信道的正交性是一個(gè)全新的問題。下一代無線通信系統(tǒng)的MIMO技術(shù)需要采用精確的大天線陣列配置以及良好的預(yù)編碼算法，并隨著天線規(guī)模的擴(kuò)大而更快地向最優(yōu)性能收斂＼[2＼]。