大规模MIMO技术在未来5G通信系统中的展望
通信工程
32 2015年8期
大规模MIMO技术在未来5G通信系统中的展望
董健周普成
江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏南京 210019
摘要：多输入多输出（MIMO）技术能够在不消耗额外资源的条件下成倍增加信道容量，已成为未来移动通信的核心技术之一，但同时MIMO系统仍有许多关键问题亟待解决。本文主要讨论了信道状态信息获取及多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术的研究进展，目的在于进一步挖掘MIMO的潜力，促进MIMO技术在未来移动通信中的应用。
关键词：MIMO传输技术、多用户上下行无线传输技术
中图分类号：TN919.3 文献标识码：A 文章编号：1009-6434(2015)8-0032-02
1 MIMO传输技术与5G移动通信的介绍
过去数十年，多输入多输出（MIMO)技术被广泛的研究过，它可以不增加额外的宽带和功率消耗显著提高无线通信系统的频谱利用率。随着智能移动终端的普及和移动新业务需求的不断发展，移动通信传输速率呈指数增长，未来移动通信系统需满足以下要求：（1）在同一时频资源上服务更多用户；（2）更高的频谱利用率和通信可靠性；（3）更低的功耗。系统服务更多用户会产生更多干扰，从而影响系统可靠性，而更高的数据速率需要较大的功率消耗，以上需求相互矛盾，很难实现。
5G 是面向 2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.其中，Massive MIMO以其相对直观的提高系统容量的方式成为当前的研究热点。所谓Massive MIMO，是指在基站端配置超过一百根，且小于一千根的天线，即每个基站都有一个大规模的天线阵列，可以同时服务大量的用户。这些额外多出来的天线可以带来如下的增益：简化了多用户的处理，随着天线数的增加，诸如最大比合并和发射，迫零等线性处理方法就足以获得非常接近复杂编码如脏纸编码算法的最优性能；可以显著降低上下行链路的发射功率，符合未来以降低能源消耗和保护人类生存环境为目标的“绿色通信”的要求；大天线阵列的存在可以很好地消除热噪声和快衰落效应。
2 Massive MIMO的天线配置
在现有的无线通信条件下，要在基站处布置大量的天线是一个极具挑战性的问题。C.Shepard等实现了一个实际的大天线阵列（64根天线）基站的原型“Argos”[1]。文献[2]考虑了蜂窝网络中大天线阵列在基站的配置形态，考虑了集中式和利用光纤将大量天线分开布置的分布式两种情况，分析了它们下行的渐近速率。值得一提的是，由于毫米波通信的引入，因为波长更短，使得大规模天线阵列的尺寸可以在一个合理的范围之内，例如载波为30GHz的毫米波的100个天线单元的线阵仅需要50cm的长度。此外，直接将大量天线贴在建筑物的表面或者3D的天线排布模式都是有可能的。
3 Massive MIMO的接发收机设计
Massive MIMO技术的优势实现离不开实际接发收机的设计。在上行链路中，由于大量天线的存在可以显著地降低用户发射功率。已经证明在多小区多用户MIMO系统中，当保证一定的QoS（Quality-of-Service），具有理想CSI（Channel State Information）时，用户的发射功率与基站的天线数成反比，而当CSI不理想时，则与基站天线数的平方根成反比。但是在Massive MIMO的下行链路预编码设计中，由于基站处天线数目的大量增加，传统的信道状态信息（CSI，channel state information）反馈模式已无法适用，这是因为传统的CSI反馈量是随着天线数线性增长的，当天线数很多时，反馈所需的时间将会远大于信道相干时间。所以，当前的Massive MIMO仅考虑应用于TDD（Time Division Duplex）系统，利用信道互易性来获得信道状态信息。但是由于导频信号空间的维数总是有限的，所以不可避免的总是存在不同小区的用户采用相同导频同时发射，从而导致基站无法区分，形成如图1所示的所谓的“导频污染”(pilot contamination)。在多小区TDD系统中，特定基站对各个信道的估计都是该基站接收信号与导频乘积的一个缩放，而基站本身在接收信号中无法区分本小区用户和其他小区用户，因而导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的瓶颈。
图1 Massive MIMO多小区多用户TDD系统中的导频污染针对导频污染问题，已经有很多文献给出了理论研究和可以减轻的方法。将目标小区的导频发射帧与相邻小区的数据帧对齐，从而避免导频污染，而且这时增加导频发射功率是有益的，能获得更好的信道估计，提升系统的性能。文献[3]进一步扩展，对多个小区进行分组，在同一组内同时发送导频，不同组之间的用户则在非交叠的时隙发送导频，从而极大地提升下行数据速率。一个针对多小区大规模天线系统（LSAS）的完全无噪声和无干扰的导频污染预编码方法被构造了，其付出的代价是所有小区间不仅交换信道信息，还需要共享数据信息。
4 多用户传输技术
如何实现多用户空间无线资源共享及如何优化设计多用户上下行传输系统，涉及基站侧和用户端所能够获得的信道状态信息。在大规模MIMO
无线通信系统中，基站侧与用