探讨大规模MIMO无线通信关键技术

张辅超　田侃达

摘 要：随着经济的快速发展，无线通信和智能手机的迅速发展，人们对数据传输率的需求也越来越高，为了能够满足人们的需求，通过增加基站天线数据建构大规模MIMO系统来提高了数据传输速率。大规模MIMO系统是一种既方便而又快捷的方式，主要是能深度开发空间维的自由度，最终完成利用同一时频资源服务于多个用户。文本通过对大规模MIMO无线通信关键技术以及它的优点进行了分析，旨在能够提高大规模MIMO无线通信关键技术的应用。

關键词：大规模MIMO 关键技术 优点

大规模MIMO（Laege-scale MIMO或者MassiveMIMO）系统最早是由美国贝尔实验室的Thomas LMarzetta等研究人员提出的，研究发展加性高斯白噪声和瑞利衰落等负面的影响全都忽略不计时，并且小区的基站天线数目趋于无穷时，数据传输速率得到了快速的提高。在大规模MIMO系统中，基站配置中有很多的天线，这些天线的数量可以达到几十甚至上百，是目前MIMO系统天线数目的1—2个数量级以上，所使用基站服务的用户设备要比基站天线数目相对少得多，基站在利用同一个时频资源的同时又可以服务到相关的UE，使系统的空间自由度被开发和利用。

一、大规模MIMO无线通信的基本特征

大规模MIMO无线通信在基站覆盖的区域内可以配置十几甚至是上百根的天线，比4G系统中4根或者是8根天线增加了两级以上，这些天线主要是以大规模阵列的形式被集中放置；分布在基站覆盖区域的设备用户，可以在同一时频资源上，使基站大规模配置的空间自由度得到了充分得发挥，同时与基站进行通信时，提高了频谱资源在各个用户设备中复用能力以及频谱效率防止了小区干扰的能力。利用基站大规模天线配置所提供的分集增益和阵列增益，可以使基站和用户之间的功率得到明显的提高。

二、大规模MIMO无线通信所涉及到的关键技术

1.信道状态信息获取技术。自适应传输和信号检测的基础是信道估计，这对大规模MIMO无线传输性有着重要的影响。在贝尔实验室中发明的TDD大规模MIMO传输中，小区中的用户设备向基站传递互相正交的导频信号，当基站利用接受功能获取导频信号，从而得到上行链路信道参数的估计数据，再通过利用TDD系统上下行信道的互易性，来获取下行链路估计数据，因此便可以实施下行预编码传输和上行检测。随着经济的发展，用户数量也逐渐得增多，这使用于信道参数估计的导频开销也随着线性不断增加，尤其是在中高速移动通信场景中，导频开销将会损耗大量的时频资源，成为系统中的阻碍。实施导频受限条件下的TDD大规模MIMO信道信息获取技术具有重要的实际意义。

除此之外，传输设计中利用TDD模式上下行信道互异性并不适用与FDD模式，针对这种问题，美国南加州大学提出了联合空分复用（JSDM）的传输方案，主要是基站利用不同用户设备信道二阶统计量开展用户分组以及波束赋形，因为预波束赋形之后的等效信道维度有着明显的减低，在该等效信道上实行信道估计可以减低信道状态信息获取多需要的开销，这FDD模式下，大规模的MIMO信道有可能实现。

2.信道模型及系统性能分析技术。无线通信系统设计的基础就是信道模型与系统性能分析。大规模MIMO已经得到了国内外的重视，但是有关大规模MIMO 的实测建模和理论建模工作还没有完善，还需要进一步的探究。在大规模MIMO无线通信环境下，MIMO传输信道的空间分辨率以及基站侧配置大规模阵列天线都得到了迅速得提高[2]，大规模MIMO无线传输信道还存在着新的特征，这就需要进行深入系统的分析。在众多资料中都报道了关于大规模MIMO信道是IID信道，但是在实际的检查结果中却发现，MIMO无线传输信道并不能符合IID的假设，这是因为信道能量通常都集中在有限的空间方向上，这导致关于IID信道的相关实验受到了阻碍，所以实验结果也存在着较大的制约性。在关于大规模MIMO无线信道的实测建模和理论建模的工作需要加强重视程度。

在一定的发射功率和信道模型的限制下，准确地表征信道能够支持的信道容量，并因此而表明了各种信道特性能对信道容量造成不同程度的影响；信道容量为频谱、传输系统优化设计以及功率效率等性能的检测都能提供科学的参考。

3.多用户的传输技术。怎样建立多用户上下行传输技术系统和无线资源的共享，其运用到基站侧与用户信息端可以得到的信道状态的消息，在广泛的无线通信设备中，基站侧和用户信息端都很难得到整个的信道瞬间的信息；由此说明广泛的MIMO传播技术系统与目前的MIMO传播技术系统不一样[3]。对于我们已经知道的相关工作中，基础的传输系统多数都是由贝尔实验室最开始提出来的，通过TDD系统上下行信道的差异性与正交导频的上行链路，基站侧能够得到多用户下行信道数据的预测值，假如基站侧得到的信道数据预测值是正确值，那么可以利用它处理下行编码的传输。

在这个传输的方案里面，如果基站侧利用信道的预测值来当做准确值来进行上下行传输，独立的用户只是建立一根天线，在系统里面的用户的数量下降的时候，频谱效率依然比较低；上行链路的信息监测与下行链路的的预编码传输中相关的高维矩阵的求逆计算，系统完成的难度较大；FDD系统里面全部的用户瞬间信道消息获得比较难，FDD系统存在着实用性的难题，是否可以解决信道信息获取所遇到的当前问题，基站侧在只是知晓一部分的信道信息的时候，落实多用户无线资源的共享，是目前需要解决的重大难点。

三、结语

小规模天线配置下的MIMO无线通信已经逐渐得完善但是仍然存在着很大的性能局限，大规模MIMO无线通信使无线通信系统功率利用率和频谱利用率得到了迅速得提升，目前已经是5G无线通信领域中最具有价值的研究领域。虽然大规模MIMO无线通信技术得到了国际的认可和关注，但是相关的通信技术并未形成系统化，需要科技人员加深进一步的研究，不断地提高大规模MIMO无线通信关键技术，为人们的生产生活带来方便。

参考文献：

[1]李兴旺.无线通信系统中的大规模MIMO关键理论及技术研究[J].北京邮电大学，2015，21（01）：82-83

[2]钱坤.MIMO通信系统波束形成与天线选择研究[J].黑龙江高教研究，2015，03（06）：45-46.

[3]黄永明.大规模MIMO系统研究进展[J].数据与采集，2015，21（03）：88-89.