基于大规模MIMO技术的5G通信研究

徐嵩禹



基于大规模MIMO技术的5G通信研究

徐嵩禹

中邮建技术有限公司，江苏 南京 210012

现如今多输入多输出(MIMO)技术发展迅速，它在改善无线通信系统频谱效率和降低系统功耗方面具有重要意义。本文重点阐述了5G通信研究现状、大规模MIMO系统的技术特点以及存在的技术挑战。

5G；大规模MIMO；导频污染

1 5G通信研究现状

1.1 超密集组网

超密集组网通过增加基站个数和基站覆盖密集度，提高系统实现频率复用效率的巨大提升。超密集组网有很多优点：用户可以自己部署小区，大大降低了建设宏基站的成本。而且超密集组网的配置更加灵活，能够彻底解决传统组网方式的覆盖盲区问题。Smallcell作为传统蜂窝网的补充，在密集组网的部署中扮演着重要角色。

1.2 Massive MIMO技术

Massive MIMO(大规模MIMO)技术指基站配备数目庞大的天线(一般100或几百根天线)，移动终端采用单天线接收的通信方式。在MWC2015大会上，中兴通讯采用创新的技术方案，使得商用4G终端可以在大规模MIMO基站下使用，而且可以获得多用户多流的空分收益，使用户在不换终端、不等待新的空口标准的情况下，提前体验到5G的优越性能。

1.3 新型多址技术

非正交多址技术（NOMA）改变了原来在功率域由单一用户独占的策略，功率也可以由多个用户共享，在接收端采用干扰消除技术将不同用户区分开来。滤波器组多载波技术（FBMC）与传统的OFDM技术相比，FBMC技术改变了子载波波形方案，从而在技术上可以使用大量滤波器构成的滤波器组实现。稀疏编码多址技术主要思想是用户信息在时域和频域上扩展，然后将不同用户的信息叠加在一起。

1.4 全频谱接入

全频谱接入充分利用各种对称与非对称频谱、连续与非连续频谱、授权与非授权频谱提升数据传输效率和系统性能。全频谱接入技术会带来超高速的无线链接。在日本和欧洲地区已经率先开展全频谱接入的实验和试点工作，同时东南亚地区正在研究利用先进的动态频谱接入技术改善带宽连接和频谱利用率。如何优化频谱共享技术加速实现商业部署是全频谱接入技术面临的挑战之一。

2 大规模MIMO技术特点

LTE/LTE-A中的MIMO技术标准化进程如表1所示

在TDD系统中，基站可以通过信道的互易性来估计出下行链路的信道状态信息。由TDD系统信道估计可知，信道估计的复杂度与用户数成正比而与基站天线数无关。并且TDD系统相对于FDD系统来说，具有时延低、上下行频带不对称以及不对称速率传输等特性，所以在大规模MIMO系统中，TDD模式比较占优势。

天线阵列的变大使得大规模MIMO系统显现出许多有别于传统MIMO的新特性。

2.1 随机变化的特性趋于确定

在传统MIMO中，由于天线数较少，发送端和接收端形成的信道都具备各自的个体性和独特性，相互之间关联性较小。然而，当天线数增加到无穷时，原本属于随机的信道矩阵，此时各元素间将存在一定的确定性，这样矩阵可以通过某些方式进行分解或者拓展，实现整体运算复杂度的降低。除此之外，天线阵列的孔径越大，其精确度也将变得越高。

2.2 降低用户间干扰及不相关性

随着基站侧天线数量的增加，用户间信道趋于正交，而当基站天线数趋于无穷时，通常严重影响通信系统性能的热噪声和不相干的小区间干扰可以忽略不计。它可以用上百数量的天线增加有用信号功率，增加信干比。同时避免了基站间的相互协调合作，降低算法复杂度。

2.3 提高系统频谱效率

Massive MIMO无线通信技术通过大幅提高基站侧的天线数量，充分利用空间维度无线资源，提高系统频谱利用率。Massive MIMO可以大幅提升小区平均频谱效率和边缘用户频谱效率。从图1可以看出，小区用户平均频谱效率随基站天线数增加几乎成线性增加趋势。

3 Massive MIMO的技术挑战

3.1 信道模型

所有的无线通信系统都需要明确一个相应的系统模型，用来作为一个性能评估和对比的基础。考虑到大规模MIMO下阵列孔径受到限制，传统的线性阵列已经不再适用，也许需要拓展到三维空间上的天线阵列。信道模型大规模化、信道参数分布随阵列尺寸的变化、耦合特性、校准误差等非理想因素给信道建模工作带来很多挑战。

图1 扇区平均频谱效率

3.2 信道信息精确度及算法稳定性

大规模MIMO天线都需要高精度的CSI，信道估计的精确度、时延以及庞大的反馈开销及处理将成为影响能否获得较好增益的关键因素。信道的变化速度、覆盖环境的复杂度、蜂窝信号的干扰强度以及反馈信息的速度，也都是影响大规模MIMO的效果和成功部署的关键。尽管对大规模MIMO已经存在大量研究，但其与控制广播信道的联合设计以及各算法在实际复杂环境中的稳定性，还不具有足够的实际经验。

3.3 资源调度

为了提高系统的容量，在大规模MIMO中进行传输时，需要对用户进行天线配对，以形成虚拟的MIMO信道。这一过程就包括用户之间形成分组，以及基站处天线的选择。在用户数较多时，频谱资源方面的分配等问题需要重点考虑。同时，由于波束成形的需要，天线设计需要将有源电路与天线阵子进行结合，构成高度集成化的有源天线系统。

3.4 导频污染

导频污染作为一个常见的现象并不是Massive MIMO系统所特有的，但是它的影响却是比在原来的MIMO系统中更为深刻。系统性能将唯一受限于相邻小区间重复使用相同的导频序列所带来的导频污染。为减小导频污染，有研究者提出了移位导频序列的方法。在不同小区之间虽然使用相同的导频序列，但是相邻小区之间的导频序列在帧中所处的位置避免相互重叠。这样即使所有用户同时进行上行链路传输也不会发生因导频复用而引起的导频污染。

4 结论

5G通信已成为全球研究的热点，Massive MIMO由于对系统频谱效率的巨大提升，目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一。导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的“瓶颈”，同时也存在很多亟待解决的问题。可以预计，Massive MIMO技术将成为5G区别于现有系统的核心技术之一。

[1]房胜.大规模MIMO系统的频谱效率和导频污染问题研究[D].杭州：电子科技大学，2014.

Research on 5G communication based on large scale MIMO Technology

Xu Songyu

China Post Construction Technology Co., Ltd.,Jiangsu Nanjing 210012

Nowadays multiple input multiple output (MIMO) technology is developing rapidly, which has important significance in improving spectrum efficiency and reducing power consumption of wireless communication system. This paper focuses on the research status of 5G communication, the technical characteristics and technical challenges of large-scale MIMO system.

5G; large-scale MIMO; pilot pollution

TN919.3;TN929.5

A

1009-6434（2016）12-0070-02