尤力+高西奇

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2017） 03-0011-003

摘要：

認(rèn)為毫米波大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）無(wú)線(xiàn)傳輸能夠拓展利用新頻譜資源，深度挖掘空間維度無(wú)線(xiàn)資源，大幅提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率，是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)最具潛力的研究方向之一?；诤撩撞ù笠?guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸基本架構(gòu)，論述了信道建模、信道信息獲取、多用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳輸及聯(lián)合資源調(diào)配等毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：大規(guī)模MIMO；毫米波通信；信道信息；波束賦形

Abstract：Millimeter wave massive multiple-input multiple-output （MIMO） wireless transmission is a promising technology for future wireless communications as it can expand the use of new spectrum resources， efficiently exploit the space domain wireless resources， and significantly improve the wireless data transmission rate. Based on the millimeter wave massive MIMO architecture， this paper presents a brief overview of the key techniques in millimeter wave massive MIMO wireless communications， including channel modeling， channel information acquisition， multiuser transmissions， and joint resource allocation.

Key words： massive MIMO； millimeter wave communications； channel information； beamforming

隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的高速發(fā)展，各種移動(dòng)新業(yè)務(wù)需求持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)線(xiàn)傳輸速率需求將繼續(xù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。預(yù)計(jì)于2020年商用的第5代移動(dòng)通信系統(tǒng)（5G）的傳輸速率需求將是目前在營(yíng)的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）的1 000倍[1]。在當(dāng)前無(wú)線(xiàn)頻譜資源日趨緊張的情形下，如何進(jìn)一步滿(mǎn)足5G無(wú)線(xiàn)通信持續(xù)增長(zhǎng)的速率需求，成為未來(lái)移動(dòng)通信技術(shù)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題。

當(dāng)前，世界各國(guó)正廣泛開(kāi)展對(duì)5G關(guān)鍵技術(shù)的研究。5G新技術(shù)將可能涉及物理層傳輸技術(shù)及載波頻段等多個(gè)層面[1]。在物理層傳輸層面，基于大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)能夠深度利用空間維度的無(wú)線(xiàn)資源，進(jìn)而顯著提升系統(tǒng)頻譜效率和功率效率，已經(jīng)成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一[2]。而另一方面，在載波頻段的層面，由于當(dāng)前6 GHz以下蜂窩頻段頻譜資源的短缺，利用毫米波頻段實(shí)施無(wú)線(xiàn)通信也吸引了廣泛的研究興趣[3-5]。

由于毫米波頻段上相對(duì)較高的電波傳播損耗，毫米波無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的研究早年大多側(cè)重于短距離通信場(chǎng)景[5]，相關(guān)的技術(shù)無(wú)法直接應(yīng)用于大范圍覆蓋的移動(dòng)通信場(chǎng)景?？紤]到毫米波頻段上波長(zhǎng)相對(duì)較短，大規(guī)模天線(xiàn)陣列能夠被同時(shí)裝配到基站與用戶(hù)側(cè)。進(jìn)而，通過(guò)大規(guī)模天線(xiàn)陣列所提供的較高波束賦形增益能夠補(bǔ)償毫米波頻段上相對(duì)較高的傳播損耗。因此，探索毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)在大覆蓋移動(dòng)通信場(chǎng)景中的應(yīng)用，正在成為研究者們關(guān)注的重要研究方向[3-6]。

針對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸，文獻(xiàn)中出現(xiàn)了一些初步的研究工作報(bào)道，這些工作涉及信道建模、信道信息獲取及系統(tǒng)性能分析等多個(gè)方面[7-19]。從已見(jiàn)報(bào)道的工作可見(jiàn)：

（1）毫米波頻段上寬帶大規(guī)模MIMO信道的理論和實(shí)際建模的工作相對(duì)較少，還沒(méi)有出現(xiàn)受到廣泛認(rèn)可的毫米波大規(guī)模MIMO信道模型。

（2）移動(dòng)場(chǎng)景下毫米波信道存在嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，瞬時(shí)信道信息獲取存在瓶頸問(wèn)題；文獻(xiàn)中所報(bào)道的傳輸方法大多基于準(zhǔn)確獲取瞬時(shí)信道信息的理想假設(shè)，存在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高等問(wèn)題。

（3）統(tǒng)計(jì)信道信息相對(duì)于瞬時(shí)信道信息變化較為緩慢，利用統(tǒng)計(jì)信道信息可以輔助毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)計(jì)，提升系統(tǒng)傳輸性能。

（4）毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)信道在波束域呈現(xiàn)能量集中等特性，在波束域?qū)嵤┖撩撞ù笠?guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸能夠緩解毫米波信道的高路徑損耗，同時(shí)深度利用空間無(wú)線(xiàn)資源，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享空間無(wú)線(xiàn)資源。

由此可知，毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)研究尚處在起步階段，存在著具有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。為充分發(fā)掘其潛在的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，需要探明典型移動(dòng)場(chǎng)景下的毫米波大規(guī)模MIMO信道模型，并在實(shí)際信道模型、適度導(dǎo)頻開(kāi)銷(xiāo)以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等約束條件下，分析其系統(tǒng)性能，進(jìn)而探索最優(yōu)傳輸技術(shù)，解決毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸所涉及的信道信息獲取瓶頸問(wèn)題、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度問(wèn)題以及典型移動(dòng)場(chǎng)景下的適用性問(wèn)題等。

毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸能夠拓展利用新頻譜資源，并能深度挖掘空間維度無(wú)線(xiàn)資源，大幅提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率，是支撐未來(lái)寬帶移動(dòng)通信最具潛力的研究方向之一。

1 信道建模

信道建模是通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在毫米波寬帶大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境下，基站側(cè)與用戶(hù)側(cè)均配置大規(guī)模天線(xiàn)陣列，信道的空間分辨率得到顯著提升。此外，考慮毫米波在大氣中的傳播特性，毫米波信道在大尺度路徑損耗、空間稀疏性、多徑特性以及多普勒特性等方面與傳統(tǒng)微波信道有著顯著不同。研究和利用毫米波寬帶大規(guī)模MIMO信道特性，具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。當(dāng)前，盡管毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸已引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，但相關(guān)的理論和實(shí)際建模的研究工作較少[7-8]，尚未有廣泛認(rèn)可的信道模型出現(xiàn)，這在一定程度上制約著毫米波寬帶大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)研究工作的開(kāi)展，相關(guān)的理論研究大多建立于準(zhǔn)確已知瞬時(shí)信道信息的理想假設(shè)。為了突破這一局限，需要開(kāi)展典型移動(dòng)場(chǎng)景下毫米波寬帶大規(guī)模MIMO信道的統(tǒng)計(jì)特性分析與建模。

值得指出的是：目前已有文獻(xiàn)報(bào)道了一些初步的信道建模理論和實(shí)測(cè)結(jié)果，展示出在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，隨著天線(xiàn)數(shù)目的增加，不同用戶(hù)的基站側(cè)信道統(tǒng)計(jì)特征模式矩陣趨于一致，僅取決于基站側(cè)天線(xiàn)陣列配置[9-11]。利用這一特性，可以著重開(kāi)展統(tǒng)計(jì)特征模式域（物理實(shí)現(xiàn)上可解釋為波束域）信道特性的研究。一些近期的研究結(jié)果表明：毫米波大規(guī)模MIMO波束域信道元素在多徑擴(kuò)展以及多普勒擴(kuò)展等方面呈現(xiàn)出新的特征[12]，進(jìn)一步深入開(kāi)展各種典型場(chǎng)景，特別是大覆蓋移動(dòng)場(chǎng)景中毫米波大規(guī)模MIMO波束域信道特性分析和建模研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 信道信息獲取技術(shù)

信道信息對(duì)于毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸性能起著重要影響作用。在毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，隨著收發(fā)兩側(cè)天線(xiàn)數(shù)目和帶寬的增加，信道參數(shù)數(shù)目顯著增加。同時(shí)，毫米波頻段信道的多普勒效應(yīng)與傳統(tǒng)頻段信道相比更為明顯。因此，信道信息獲取在毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中成為瓶頸問(wèn)題。目前已有一些文獻(xiàn)報(bào)道了毫米波大規(guī)模MIMO信道信息獲取的研究工作[13，14]。值得注意的是：利用毫米波頻段波束域信道的近似稀疏以及多普勒擴(kuò)展特性，可以有效降低信道信息獲取所需的開(kāi)銷(xiāo)[10]。進(jìn)一步發(fā)展完善各種典型場(chǎng)景下波束域信道信息獲取技術(shù)具有必要性。

統(tǒng)計(jì)信道信息可以用于優(yōu)化導(dǎo)頻設(shè)計(jì)，提升瞬時(shí)信道信息估計(jì)性能及系統(tǒng)傳輸性能。當(dāng)前，盡管利用統(tǒng)計(jì)信道信息輔助毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸設(shè)計(jì)已經(jīng)得到了一些研究者的關(guān)注，但是統(tǒng)計(jì)信道信息獲取的相關(guān)研究工作較少。目前已有一些文獻(xiàn)報(bào)道了大規(guī)模MIMO統(tǒng)計(jì)信道信息獲取的初步研究結(jié)果[15-16]，然而這些方法大多并未針對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景。利用毫米波寬帶大規(guī)模MIMO波束域信道新特性，進(jìn)一步開(kāi)展相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)信道信息獲取方法研究具有重要性。

3 多用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)

如何優(yōu)化設(shè)計(jì)多用戶(hù)空分多址無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)，涉及發(fā)送端和接收端所能獲取的信道信息。在毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中，隨著收發(fā)兩側(cè)天線(xiàn)數(shù)目和帶寬的增加，信道信息的獲取成為瓶頸問(wèn)題。與此同時(shí)，傳統(tǒng)傳輸方案中通常采用的正則化迫零等方法涉及到復(fù)雜的大維矩陣求逆運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較高[17]，這意味著毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸理論方法將不同于現(xiàn)有的MIMO傳輸理論方法。與瞬時(shí)信道信息相比，統(tǒng)計(jì)信道信息變化較為緩慢，獲取開(kāi)銷(xiāo)較小。能否突破傳統(tǒng)傳輸方案中信道信息獲取的瓶頸問(wèn)題，在發(fā)送端僅知統(tǒng)計(jì)信道信息的情形下，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享空間無(wú)線(xiàn)資源和高性能低復(fù)雜度的毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸，是有待解決的重要問(wèn)題。

目前已有一些文獻(xiàn)報(bào)道了初步的研究工作，結(jié)果表明：在發(fā)送端僅知統(tǒng)計(jì)信道信息的情形下，通過(guò)適當(dāng)?shù)馁Y源調(diào)配，在波束域?qū)嵤┖撩撞ù笠?guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸可以以較低的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度獲取相對(duì)較高的性能[16]，[18]。進(jìn)一步發(fā)展發(fā)展完善毫米波大規(guī)模MIMO波束域多用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)具有重要的實(shí)用價(jià)值。

此外，在完整的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，基站不僅要實(shí)現(xiàn)與各個(gè)用戶(hù)之間的高速數(shù)據(jù)通信，還需要向小區(qū)中的所有用戶(hù)發(fā)送控制信息，此時(shí)基站發(fā)送信號(hào)要具有全向特性，如何將具有全向特性的分集傳輸和空時(shí)編碼傳輸理論方法拓展到毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)高效的控制信息傳輸，值得深入研究[19]。

4 多用戶(hù)聯(lián)合資源調(diào)配技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)空分多址傳輸，需要高效的多用戶(hù)資源調(diào)配理論方法，確定可以在同一時(shí)頻資源上進(jìn)行空分多址傳輸?shù)目辗钟脩?hù)組和與每個(gè)用戶(hù)通信的空間資源。在毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中，基站與各個(gè)用戶(hù)進(jìn)行通信的空間資源通常是基站側(cè)統(tǒng)計(jì)特征模式所確定的波束資源，開(kāi)展利用統(tǒng)計(jì)信道信息的資源調(diào)配理論方法研究具有理論意義和實(shí)用價(jià)值。目前文獻(xiàn)中已有一些關(guān)于資源調(diào)配的研究工作報(bào)道，然而這些工作大多基于準(zhǔn)確已知瞬時(shí)信道信息的理想假設(shè)，具有一定的局限性。發(fā)送端僅知統(tǒng)計(jì)信道信息的多用戶(hù)聯(lián)合資源調(diào)配技術(shù)的研究值得進(jìn)一步深入開(kāi)展。此外，多小區(qū)協(xié)作能夠降低傳輸中斷概率，進(jìn)而解決毫米波信道所面臨的傳播遮擋等問(wèn)題，開(kāi)展多小區(qū)協(xié)作情形下的毫米波大規(guī)模MIMO分布式低協(xié)作開(kāi)銷(xiāo)聯(lián)合資源調(diào)配技術(shù)研究具有實(shí)用性。值得注意的是：在毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)中，聯(lián)合資源調(diào)配所涉及的問(wèn)題規(guī)模通常較大，結(jié)合大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)等理論[20-21]探索相應(yīng)的低復(fù)雜度快速資源調(diào)配算法具有重要的實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

毫米波大規(guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸能夠拓展利用新頻譜資源和深度挖掘空間維度無(wú)線(xiàn)資源，大幅提升無(wú)線(xiàn)傳輸速率，是未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)最具潛力的研究方向之一。相關(guān)理論方法尚處于起步階段，存在著信道信息獲取“瓶頸”和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性等問(wèn)題?；诤撩撞ù笠?guī)模MIMO無(wú)線(xiàn)傳輸基本架構(gòu)，文中我們討論了信道建模、信道信息獲取、多用戶(hù)無(wú)線(xiàn)傳輸及聯(lián)合資源調(diào)配等毫米波大規(guī)模MIMO傳輸關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。

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