探討大規(guī)模MIMO無線通信關(guān)鍵技術(shù)

張輔超　田侃達(dá)

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無線通信和智能手機(jī)的迅速發(fā)展，人們對數(shù)據(jù)傳輸率的需求也越來越高，為了能夠滿足人們的需求，通過增加基站天線數(shù)據(jù)建構(gòu)大規(guī)模MIMO系統(tǒng)來提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是一種既方便而又快捷的方式，主要是能深度開發(fā)空間維的自由度，最終完成利用同一時頻資源服務(wù)于多個用戶。文本通過對大規(guī)模MIMO無線通信關(guān)鍵技術(shù)以及它的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析，旨在能夠提高大規(guī)模MIMO無線通信關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO 關(guān)鍵技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)

大規(guī)模MIMO（Laege-scale MIMO或者M(jìn)assiveMIMO）系統(tǒng)最早是由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的Thomas LMarzetta等研究人員提出的，研究發(fā)展加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面的影響全都忽略不計時，并且小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無窮時，數(shù)據(jù)傳輸速率得到了快速的提高。在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站配置中有很多的天線，這些天線的數(shù)量可以達(dá)到幾十甚至上百，是目前MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的1—2個數(shù)量級以上，所使用基站服務(wù)的用戶設(shè)備要比基站天線數(shù)目相對少得多，基站在利用同一個時頻資源的同時又可以服務(wù)到相關(guān)的UE，使系統(tǒng)的空間自由度被開發(fā)和利用。

一、大規(guī)模MIMO無線通信的基本特征

大規(guī)模MIMO無線通信在基站覆蓋的區(qū)域內(nèi)可以配置十幾甚至是上百根的天線，比4G系統(tǒng)中4根或者是8根天線增加了兩級以上，這些天線主要是以大規(guī)模陣列的形式被集中放置；分布在基站覆蓋區(qū)域的設(shè)備用戶，可以在同一時頻資源上，使基站大規(guī)模配置的空間自由度得到了充分得發(fā)揮，同時與基站進(jìn)行通信時，提高了頻譜資源在各個用戶設(shè)備中復(fù)用能力以及頻譜效率防止了小區(qū)干擾的能力。利用基站大規(guī)模天線配置所提供的分集增益和陣列增益，可以使基站和用戶之間的功率得到明顯的提高。

二、大規(guī)模MIMO無線通信所涉及到的關(guān)鍵技術(shù)

1.信道狀態(tài)信息獲取技術(shù)。自適應(yīng)傳輸和信號檢測的基礎(chǔ)是信道估計，這對大規(guī)模MIMO無線傳輸性有著重要的影響。在貝爾實(shí)驗(yàn)室中發(fā)明的TDD大規(guī)模MIMO傳輸中，小區(qū)中的用戶設(shè)備向基站傳遞互相正交的導(dǎo)頻信號，當(dāng)基站利用接受功能獲取導(dǎo)頻信號，從而得到上行鏈路信道參數(shù)的估計數(shù)據(jù)，再通過利用TDD系統(tǒng)上下行信道的互易性，來獲取下行鏈路估計數(shù)據(jù)，因此便可以實(shí)施下行預(yù)編碼傳輸和上行檢測。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用戶數(shù)量也逐漸得增多，這使用于信道參數(shù)估計的導(dǎo)頻開銷也隨著線性不斷增加，尤其是在中高速移動通信場景中，導(dǎo)頻開銷將會損耗大量的時頻資源，成為系統(tǒng)中的阻礙。實(shí)施導(dǎo)頻受限條件下的TDD大規(guī)模MIMO信道信息獲取技術(shù)具有重要的實(shí)際意義。

除此之外，傳輸設(shè)計中利用TDD模式上下行信道互異性并不適用與FDD模式，針對這種問題，美國南加州大學(xué)提出了聯(lián)合空分復(fù)用（JSDM）的傳輸方案，主要是基站利用不同用戶設(shè)備信道二階統(tǒng)計量開展用戶分組以及波束賦形，因?yàn)轭A(yù)波束賦形之后的等效信道維度有著明顯的減低，在該等效信道上實(shí)行信道估計可以減低信道狀態(tài)信息獲取多需要的開銷，這FDD模式下，大規(guī)模的MIMO信道有可能實(shí)現(xiàn)。

2.信道模型及系統(tǒng)性能分析技術(shù)。無線通信系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)就是信道模型與系統(tǒng)性能分析。大規(guī)模MIMO已經(jīng)得到了國內(nèi)外的重視，但是有關(guān)大規(guī)模MIMO 的實(shí)測建模和理論建模工作還沒有完善，還需要進(jìn)一步的探究。在大規(guī)模MIMO無線通信環(huán)境下，MIMO傳輸信道的空間分辨率以及基站側(cè)配置大規(guī)模陣列天線都得到了迅速得提高[2]，大規(guī)模MIMO無線傳輸信道還存在著新的特征，這就需要進(jìn)行深入系統(tǒng)的分析。在眾多資料中都報道了關(guān)于大規(guī)模MIMO信道是IID信道，但是在實(shí)際的檢查結(jié)果中卻發(fā)現(xiàn)，MIMO無線傳輸信道并不能符合IID的假設(shè)，這是因?yàn)樾诺滥芰客ǔ６技性谟邢薜目臻g方向上，這導(dǎo)致關(guān)于IID信道的相關(guān)實(shí)驗(yàn)受到了阻礙，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在著較大的制約性。在關(guān)于大規(guī)模MIMO無線信道的實(shí)測建模和理論建模的工作需要加強(qiáng)重視程度。

在一定的發(fā)射功率和信道模型的限制下，準(zhǔn)確地表征信道能夠支持的信道容量，并因此而表明了各種信道特性能對信道容量造成不同程度的影響；信道容量為頻譜、傳輸系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計以及功率效率等性能的檢測都能提供科學(xué)的參考。

3.多用戶的傳輸技術(shù)。怎樣建立多用戶上下行傳輸技術(shù)系統(tǒng)和無線資源的共享，其運(yùn)用到基站側(cè)與用戶信息端可以得到的信道狀態(tài)的消息，在廣泛的無線通信設(shè)備中，基站側(cè)和用戶信息端都很難得到整個的信道瞬間的信息；由此說明廣泛的MIMO傳播技術(shù)系統(tǒng)與目前的MIMO傳播技術(shù)系統(tǒng)不一樣[3]。對于我們已經(jīng)知道的相關(guān)工作中，基礎(chǔ)的傳輸系統(tǒng)多數(shù)都是由貝爾實(shí)驗(yàn)室最開始提出來的，通過TDD系統(tǒng)上下行信道的差異性與正交導(dǎo)頻的上行鏈路，基站側(cè)能夠得到多用戶下行信道數(shù)據(jù)的預(yù)測值，假如基站側(cè)得到的信道數(shù)據(jù)預(yù)測值是正確值，那么可以利用它處理下行編碼的傳輸。

在這個傳輸?shù)姆桨咐锩?，如果基站?cè)利用信道的預(yù)測值來當(dāng)做準(zhǔn)確值來進(jìn)行上下行傳輸，獨(dú)立的用戶只是建立一根天線，在系統(tǒng)里面的用戶的數(shù)量下降的時候，頻譜效率依然比較低；上行鏈路的信息監(jiān)測與下行鏈路的的預(yù)編碼傳輸中相關(guān)的高維矩陣的求逆計算，系統(tǒng)完成的難度較大；FDD系統(tǒng)里面全部的用戶瞬間信道消息獲得比較難，F(xiàn)DD系統(tǒng)存在著實(shí)用性的難題，是否可以解決信道信息獲取所遇到的當(dāng)前問題，基站側(cè)在只是知曉一部分的信道信息的時候，落實(shí)多用戶無線資源的共享，是目前需要解決的重大難點(diǎn)。

三、結(jié)語

小規(guī)模天線配置下的MIMO無線通信已經(jīng)逐漸得完善但是仍然存在著很大的性能局限，大規(guī)模MIMO無線通信使無線通信系統(tǒng)功率利用率和頻譜利用率得到了迅速得提升，目前已經(jīng)是5G無線通信領(lǐng)域中最具有價值的研究領(lǐng)域。雖然大規(guī)模MIMO無線通信技術(shù)得到了國際的認(rèn)可和關(guān)注，但是相關(guān)的通信技術(shù)并未形成系統(tǒng)化，需要科技人員加深進(jìn)一步的研究，不斷地提高大規(guī)模MIMO無線通信關(guān)鍵技術(shù)，為人們的生產(chǎn)生活帶來方便。

參考文獻(xiàn)：

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