汪紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué),安徽合肥 230009)

以近年來移動(dòng)信息業(yè)務(wù)的不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)來看,在2020年的業(yè)務(wù)量最高會(huì)增長(zhǎng)至2010年的1000倍左右。并且目前移動(dòng)通信發(fā)展的主要目標(biāo)之一就是減少通信系統(tǒng)的能耗占比。隨著4 G的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)已經(jīng)越來越不能夠在頻譜效率與功率效率方面滿足人民日益增長(zhǎng)的需求。人們對(duì)于5G的要求需要實(shí)現(xiàn)更高頻譜與綠色發(fā)展雙向發(fā)展。這就說明,需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、組網(wǎng)協(xié)議及無線傳輸技術(shù)等方面進(jìn)行改革與創(chuàng)新。

1 大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)

多入多出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技術(shù),也被稱為多天線技術(shù)。它的工作原理就是充分的利用空間,在通信鏈路的收發(fā)兩端設(shè)置多個(gè)天線,通過分集增益技術(shù),保障系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)能夠?yàn)橄到y(tǒng)的頻譜效率的提升,提供增加復(fù)用增益,為系統(tǒng)的功率效率的提升,提供陣列增益。

而大規(guī)模天線陣列(Massive MIMO)[1]能夠在現(xiàn)有的許多天線的基礎(chǔ)上加入數(shù)十個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間數(shù)據(jù)流,達(dá)到能夠增加并行傳輸用戶的目的,將頻譜效率進(jìn)行數(shù)倍的提升,Massive MIMO廣泛的應(yīng)用于5G的信道測(cè)量與反饋,參考信號(hào)設(shè)計(jì)、天線陣列設(shè)計(jì)以及低成本實(shí)現(xiàn)等方面的問題。

在目前的4 G系統(tǒng)之中,已經(jīng)將大規(guī)模天線技術(shù)廣泛的推廣與應(yīng)用。天線數(shù)目的增加,是現(xiàn)在5G傳輸速率以及系統(tǒng)容量等方面的迫切需求,也是MIMO技術(shù)繼續(xù)演進(jìn)的重要的方向。根據(jù)目前的概率統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析,用戶天線數(shù)少于基站側(cè)天線數(shù)時(shí),聯(lián)通基站與用戶之間的信道呈現(xiàn)正交的情況,這種狀態(tài)會(huì)使得用戶間的相互干擾的狀態(tài)減弱。MIMO中陣列增益的增多能夠使每個(gè)用戶的信噪比得以提升,進(jìn)而在將空分多址(SDMA)技術(shù)充分利用的基礎(chǔ)上,多各用戶能夠在相同的時(shí)頻資源得到相應(yīng)的服務(wù)[2]。

空分多址技術(shù)(SDMA)是在利用波束賦形技術(shù)為原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)作的,主要的作用就是對(duì)天線陣列技術(shù)進(jìn)行有力的支撐。通過對(duì)大規(guī)模天線陣列中的每個(gè)陣元的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,得到具有指向性的波束,進(jìn)而使信號(hào)方向性增益有更明顯的變化,同時(shí)會(huì)與SDMA產(chǎn)生比較精密的聯(lián)系。

2 Massive MIMO的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 Massive MIMO技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)如下

(1)根天線消耗的功率極低。在比較理想的狀態(tài)下,限定總發(fā)射率一定,單根天線所用的發(fā)射功率與天線數(shù)量成正相關(guān);限定發(fā)射信噪比一定,總發(fā)射功率與天線數(shù)量成負(fù)相關(guān)。這就說明,單根天線所需要的發(fā)射功率與天線的數(shù)量的平方呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的狀態(tài)。以此能夠大幅度的降低MIMO應(yīng)用之中所消耗的功率。

(2)信道“硬化”。如果天線的數(shù)量無線的增多,信道矩陣就會(huì)通過隨機(jī)矩陣的理論進(jìn)行相應(yīng)的分析,信道矩陣的奇異值就會(huì)向已知的漸近分布靠近,信道向量就會(huì)逐漸的趨向于正交方面,其中最簡(jiǎn)便的信號(hào)處理方式是漸進(jìn)最優(yōu)的。

(3)減少熱噪聲和小尺度衰落的影響。天線數(shù)量的增加會(huì)使得熱噪聲、小尺度衰落對(duì)于系統(tǒng)性能的影響相應(yīng)的進(jìn)行減少,但是前提是在使用現(xiàn)行信號(hào)處理方法。并且,熱噪聲以及小尺度衰落的影響不足以與小區(qū)間的干擾相對(duì)比。

(4)空間分辨率提升。在massive MIMO系統(tǒng)中,在站天線數(shù)增多的情況下,基站能夠?qū)τ诿恳粋€(gè)用戶進(jìn)行精確的定位分析,波束形成能夠?qū)鬏數(shù)男盘?hào)都集中在空間的一個(gè)相應(yīng)的電上,繼而將空間辨別的能力提升到最強(qiáng)。

2.2 Massive MIMO應(yīng)用場(chǎng)景

面向5G的大規(guī)模的多天線MIMO技術(shù),主要是以宏蜂窩與微蜂窩的形式在陣列應(yīng)用場(chǎng)景(包括室內(nèi)場(chǎng)景與室外場(chǎng)景)中實(shí)現(xiàn)并存,具體的應(yīng)用場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)主要分為同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)兩種類型。根據(jù)測(cè)試的相關(guān)文獻(xiàn)的記載,移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信在陸地上有七成是在室內(nèi)進(jìn)行的,因此就可以據(jù)此將massive MIMO信道對(duì)室內(nèi)與室外用戶分為宏小區(qū)與微小區(qū)兩種[3]。與此同時(shí),微小區(qū)也能夠作為一個(gè)中繼基站進(jìn)行信息的傳輸。信道通常也可以劃分為微小區(qū)基站與宏小區(qū)基站,對(duì)于基站的天線數(shù)沒有固定,可以進(jìn)行無限的增大,基站小區(qū)中的天線數(shù)也能夠進(jìn)行無限的增多。

3 信道測(cè)量與建模

3.1 信道測(cè)量

在massive MIMO的實(shí)際特性研究中重要的一環(huán)就是進(jìn)行信道的測(cè)量,隨著近幾年的信道測(cè)量的工作的進(jìn)展,已經(jīng)取得的相應(yīng)的進(jìn)展包括：

(1)容量測(cè)量。大規(guī)模的MI MO能夠?qū)㈩l譜效率進(jìn)行有效的提升,頻譜效率與天線數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的增長(zhǎng)趨勢(shì)。根據(jù)massive MIMO基站不同天線所對(duì)應(yīng)的信道間的準(zhǔn)正交性,想要獲取相當(dāng)高的容量,利用低復(fù)雜度的線性處理也能夠進(jìn)行。

(2)球面波與非平穩(wěn)特性測(cè)量。Massive MIMO因?yàn)槠矫娌ń撇辉龠m用、功率不平衡以及不同天線間的R ician信道K因子不平衡,使得廣義平穩(wěn)特性(Wide－Sense Stationary,WSS)不再出現(xiàn)[4]。使得massive MIMO信道測(cè)量面臨著許多的挑戰(zhàn)：

一方面是由于massive MIMO陣列在天線軸以及時(shí)間軸存在的非平穩(wěn)性,波動(dòng)性比較的強(qiáng)烈,對(duì)于相關(guān)參數(shù)的測(cè)量存在較大的阻礙。

另一方面是由于多數(shù)的測(cè)量都是在均勻陣線的情況下進(jìn)行的,還需要對(duì)其他形態(tài)的陣列進(jìn)行考慮,比如說平面陣、立方陣等,這都是由于實(shí)際布陣中的空間限制。

3.2 信道建模

目前,massive MIMO的信道建模工作已經(jīng)取得了相應(yīng)的成績(jī),相關(guān)組成部分主要是隨機(jī)建模(CB-SM)與幾何建模(GBSM)兩種情況。一方面CBSM類無法將massive MIMO的電波傳播的近場(chǎng)效應(yīng)與非平穩(wěn)兩個(gè)關(guān)鍵的特征有效的展現(xiàn)出來,而建模的復(fù)雜程度也在低至中等方面;另一方面,GBSM類能夠相應(yīng)的描述出massive MIMO的相關(guān)重要特征,并且其復(fù)雜程度也是比較的高[5]。

該技術(shù)的未來的發(fā)展方向一般是將massive MIMO信道測(cè)量結(jié)果與5G應(yīng)用場(chǎng)景的特性進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)合,并且在總結(jié)CBS M和GBS M的優(yōu)勢(shì)以及劣勢(shì)的基礎(chǔ)上,通過盡量的獲取massive MIMO信道特性,來取得建模準(zhǔn)確性與復(fù)雜度之間的最優(yōu)的折中方案。

4 信道信息獲取

4.1 基本問題

將massive MIMO與傳統(tǒng)的MIMO進(jìn)行比較可以看出,massive MIMO系統(tǒng)中的基站天線數(shù)以及空分用戶數(shù)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)的數(shù)量多,信道信息的獲取的難度也是相應(yīng)的增加,是系統(tǒng)增益中的一大障礙。再利用正交導(dǎo)頻的時(shí)候,上行鏈路與下行鏈路的導(dǎo)頻開銷與空分用戶總天線數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。

就一般的情況來說,基站能夠利用用戶發(fā)送的導(dǎo)頻來進(jìn)行上性信道信息的估算。更深一步來講,基站能夠在時(shí)分雙工(Time Division Duplexing,TDD)系統(tǒng)中采用上下行信道的互易性,對(duì)上行信道的信道信息進(jìn)行收取與分析,然后對(duì)下行預(yù)編碼;但是由于上下行信道缺乏互易性的頻分雙工(Frequency Division Duplexing,FDD)系統(tǒng)的作用,基站獲取下行信道信息就會(huì)增加更多的開銷,比如說增加下行信道信息的用戶信道信息反饋的環(huán)節(jié)。這也是整個(gè)P D D系統(tǒng)中應(yīng)用massive MIMO的最主要的挑戰(zhàn)之一[6]。

4.2 導(dǎo)頻設(shè)計(jì)和信道估計(jì)

Massive MIMO進(jìn)行傳輸?shù)那疤嵋约盎A(chǔ)是經(jīng)過對(duì)信道估計(jì)取得信道信息。而信道估計(jì)的基礎(chǔ)又是進(jìn)行導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)(包括時(shí)分正交、頻分正交、碼分正交等)一般需要付出較大的開銷來得到較小的干擾,這在4G標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)得出廣泛的應(yīng)用。但是在多小區(qū)的massive MIMO系統(tǒng)中,正交設(shè)計(jì)就不太適宜,因?yàn)榛咎炀€數(shù)/空分用戶數(shù)有了更大程度的增加,所需的開銷也會(huì)相應(yīng)的增加,甚至到了不可承受的地步。

所以,非正交導(dǎo)頻設(shè)計(jì)就顯得尤為重要,設(shè)計(jì)的主要思路包括以下幾個(gè)方面：

4.2.1 導(dǎo)頻復(fù)用

伴隨著massive MIMO信道研究的進(jìn)一步發(fā)展,不少學(xué)者發(fā)現(xiàn)了對(duì)信道的時(shí)延域/空間域的稀疏等角度進(jìn)行探索以及基于導(dǎo)頻分配的小區(qū)協(xié)作等幾方面進(jìn)行探索,能夠找出減少或者是抑制導(dǎo)頻污染的各種的方案類型。

4.2.2 導(dǎo)頻數(shù)據(jù)疊加

通過幾個(gè)小區(qū)上行導(dǎo)頻在時(shí)域錯(cuò)開,能夠降低導(dǎo)頻的污染程度。但是,當(dāng)空分用戶增加的時(shí)候,基站需要增加更多的天線來取得較好的性能,達(dá)到異步導(dǎo)頻的需求,更重要的是能夠產(chǎn)生導(dǎo)頻與數(shù)據(jù)間的互相干擾。Massive MIMO的特性就是集合了傳統(tǒng)MIMO信道的設(shè)計(jì)方案(比如說MM SE準(zhǔn)則)與待估計(jì)信道系數(shù)數(shù)量更多的特點(diǎn),從而形成了一部分的新的框架與方法。主要包括以下幾種類型：(1)通過利用massive MIMO信道的稀疏特性以及先進(jìn)的信號(hào)處理的算法進(jìn)行信道估計(jì)精度的提升,比如說,參數(shù)化信道估計(jì)以及壓縮感知這兩種信道估計(jì)方法能夠很大程度的提升信道估計(jì)的精確程度。(2)利用數(shù)據(jù)輔助進(jìn)行信道估計(jì),能夠通過將迭代接收機(jī)增強(qiáng)massive MIMO信道估計(jì)的精確程度。但是,如果想要獲取更好的估計(jì)性能,就需要對(duì)數(shù)據(jù)、其復(fù)雜程度進(jìn)行更高的要求,因?yàn)橛脩魯?shù)量以及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的增加會(huì)使復(fù)雜性程度更深。

經(jīng)過以上的分析,與傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)相比,massive MIMO系統(tǒng)對(duì)于信道參數(shù)的獲取需要明顯的增強(qiáng),這就對(duì)導(dǎo)頻設(shè)計(jì)與信道設(shè)計(jì)有了更多的要求,也面臨著更多的挑戰(zhàn)。在以后的發(fā)展道路中,除了運(yùn)用上述的方式進(jìn)行研究之外,還需要進(jìn)一步的對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景以及天線數(shù)量一同進(jìn)行設(shè)計(jì),才能夠進(jìn)一步的取得導(dǎo)頻開銷與信道估計(jì)的比較良好的這種方案。

4.2.3 TDD系統(tǒng)上下行互易性校準(zhǔn)

雖然,空中無線部分能夠滿足上下行的互易性,而通信雙方收發(fā)機(jī)的射頻鏈路不能夠?qū)崿F(xiàn)上下行的互易性,但是實(shí)際T D D系統(tǒng)的整體信道還是需要二者共同組成。所以,系統(tǒng)的順利實(shí)現(xiàn)也取決于massive MIMO的TDD上下行互易性校準(zhǔn)。經(jīng)過大量的研究表明,造成基站端的容量損失的因素與射頻鏈路相位以及幅度的失配都有關(guān)系,但是用戶端的容量損失的因素只與射頻鏈路的幅度失配有關(guān),而且,容量損失與幅度適配的方差成正比例的關(guān)系,一方較小,另一方也較小。目前已經(jīng)有相應(yīng)的基于校準(zhǔn)的解決方案通過了測(cè)試并投入到實(shí)際的應(yīng)用。

5 傳輸方法

5.1 基本的上行檢測(cè)和下行預(yù)編碼方法

信息論的觀點(diǎn)認(rèn)為,通過最優(yōu)多用戶監(jiān)測(cè)以及污紙編碼分別實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)的多用戶上行接入與多用戶下行發(fā)送的可達(dá)信息容量。如果想要將這些理論應(yīng)用于massive MIMO系統(tǒng)也同樣適用,但是伴隨著基站天線數(shù)以及用戶數(shù)量的不斷地增加,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)傳輸是一件比較棘手的事情。

盡管學(xué)者們已經(jīng)不斷地研究出了許多的上行監(jiān)測(cè)與下行預(yù)編碼的方案,包括較高算法的方法,但是根據(jù)前面的總結(jié)來看,Marzetta進(jìn)行的研究已經(jīng)直觀的說明,上行鏈路的信號(hào)檢測(cè)和下行鏈路的預(yù)編碼算法,可以分別通過簡(jiǎn)單的MRC和MRTT來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能的目標(biāo)。想要取得更好的性能,可以采取比MRC/MRT復(fù)雜度更高的迫零(Zero Forcing,ZF)和MMSE算法作為首要的候選方案[7]。Marzetta通過對(duì)此理論的研究,還取得了實(shí)驗(yàn)的測(cè)試,更可以相應(yīng)的作為massive MIMO傳輸方法的重要的參考依據(jù)。

經(jīng)過以上的分析,如果想要應(yīng)用到實(shí)際的應(yīng)用之中,就應(yīng)該將MRC/MRT、ZF、MMSE等線性檢測(cè)/預(yù)編碼方案作為主要的方法。除此之外,利用ZF/MMSE類方法的時(shí)候,需要考慮高維矩陣求逆的因素,矩陣維度一般是與用戶總天線數(shù)相同,相應(yīng)的復(fù)雜程度還是比較的高,解決這類問題的最好的方式就是將思路引入到簡(jiǎn)化矩陣求逆以及探索信道稀疏性方面。

5.2 下行模數(shù)混合預(yù)編碼

Massive MIMO中的難點(diǎn)包括下行預(yù)編碼,在基本的理論研究之時(shí),Massive MIMO都會(huì)采用全數(shù)字預(yù)編碼來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)性能。全數(shù)字預(yù)編碼會(huì)在基帶進(jìn)行數(shù)字化的處理,其中天線陣列需要每個(gè)陣元(包括天線輻射陣元、射頻放大器、上下變頻器及數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換器等)都含有相對(duì)獨(dú)立的射頻鏈路。在實(shí)際的探索中,研究射頻鏈路數(shù)少于基站天線數(shù)的預(yù)編碼方案更加省時(shí)省力。因?yàn)?massive MIMO中含有大量的陣元,比起傳統(tǒng)的MIMO陣列來說,系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及成本、功能的消耗會(huì)增加的十分迅速,這對(duì)于massive MIMO技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使一個(gè)較難的挑戰(zhàn)。

對(duì)于以上問題的解決方案,需要通過新型的模數(shù)混合預(yù)編碼方案。將傳統(tǒng)的全數(shù)字預(yù)編碼分解為兩個(gè)部分的級(jí)聯(lián)：一部分是數(shù)字基帶低維度預(yù)編碼,能夠通過少量射頻鏈路來消除用戶間的干擾;另一部分是模擬射頻高維度預(yù)編碼,能夠通過大量模擬移相器來增加天線陣列增益。這是魔術(shù)混合預(yù)編碼模數(shù)混合預(yù)編碼的基本思想。

以較小的性能損失達(dá)到大幅降低射頻鏈路數(shù)量和處理復(fù)雜度,是模數(shù)混合預(yù)編碼優(yōu)于全數(shù)字預(yù)編碼的地方,這可以進(jìn)一步的減少成本以及提升系統(tǒng)的功率效率。根據(jù)自身的優(yōu)勢(shì)特性,模數(shù)混合預(yù)編碼已經(jīng)逐步成為massive MIMO下行預(yù)編碼主要的研究方向,但是目前還有許多的技術(shù)問題還未解決。

6 結(jié)語(yǔ)

大規(guī)模的MIMO技術(shù)在信息技術(shù)行業(yè)內(nèi)已經(jīng)被認(rèn)為是5G項(xiàng)目中的一個(gè)最為關(guān)鍵的技術(shù)之一,它的優(yōu)勢(shì)就在于對(duì)無線通道中的信道容量、能量效率以及頻譜效率等都有著重要的提升作用,在信息技術(shù)的建設(shè)中,應(yīng)發(fā)揮出massive MIMO關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)勢(shì),并進(jìn)行相應(yīng)的推廣與應(yīng)用。

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