浅谈下一代无线通信技术：大规模MIMO技术

侯艾冰

摘 要：當今，不管对于固定或移动用户，对无线通信业务吞吐量的需求将会不断增大，提高第四代无线通信频谱效率的呼声越来越大。大规模MIMO（Multiple Input-Multiple output，MIMO）技术是一个能够满足这种需求有希望潜在的技术，本文强调了大规模MIMO技术优势，认为它能比第四代（4G）无线通信明显提高频谱效率，最后给出了当前其相关研究难题与未来研究方向。

关键词：无线通信 大规模MIMO 4G

1.概述

未来5年或10年，我们能够预期得到的就是在一座城市中数百万增扩的用户将不断传送或者接收视频，或者说每个用户各自通信速率为100/s/bit，提高无线通信系统的信道容量成为了当务之急。

M I M O（M u lti ple I n p u tMultiple output）即多输入多输出技术，M I M O技术越来越成熟，并纳入LTE等新兴无线宽带标准，它扩展了一维智能天线技术，具有极高的频谱利用率，能在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量，且信道可靠性大为增强，是新一代无线通信系统4 G采用的核心技术之一。

但是面对呈指数上升的无线数据业务量，传统的MIMO技术并不能满足当今的大容量高速率要求。基本上，如果在发送端或接收端配备更多的天线，传播信道就可以提供更多的自由度，更好的数据速率或链路可靠性方面的性能就可得到。

基于通过增加天线的数量，能够进一步获得更多的增益，简化所需的信号处理，从而进一步提高通信系统性能的思想，美国贝尔实验室的T h o m a s L. Marzetta就提出大规模M I M O技术的概念。它的研究结果表明在现实传播环境下，基于匹配滤波器的非协作大规模M I M O系统，对于2 0 M H Z的信道，每个小区有4 0个用户，上行和下行链路可达到的速率为17Mb/s，每个小区平均的吞吐量能达到730Mb/s，总体频谱效率为26.5bps/HZ。

2.大规模MIMO技术的概念与模型

大规模M I M O是指在基站天线数目庞大，所使用天线阵列的数量比当今无线通信系统建造的数量多几个级别，或一百根天线或者更多。大规模M I M O通信系统可以同时服务数量众多的用户终端，而在用户终端配置天线的数量还是单根，只需要对现有通信系统基站天线数量的调整，从而提高系统的频谱利用率。

大规模M IM O是一项新兴的技术，和现在相比向上扩展了M I M O容量的数量级。在大规模的MIM O系统中，利用天线阵列，几百根天线在同一时域频域内同时服务于数十个终端。因此它是一个促成未来数字社会的基础设施，将连接人们的互联网、物联网、云及其他网络基础设施。可以设想许多不同配置和部署方案用于实际使用的一个巨大的MIMO系统天线阵列模型，如图1。

3.大规模MIMO技术优势

（1）大规模MIMO技术可以空前提高几个级别的频谱和能量效率，通过直接增加基站的天线数就可使系统容量增加，可以增加容量10倍或更多，同时，提高100倍的辐射能量效率。

（2）一个大规模MIMO系统具有大量盈余的自由度，可提供用于消除故意干扰信号的自由度。例如，用200天线，服务20终端，未使用180度自由度。这些自由度可用于硬件同行信号整形。

（3）大规模MIMO技术通过在基站配置数十或数百根数（或者数千根）低功率的小天线，去服务多个单天线终端，基站天线的数量远远大于服务终端的数量，通过数量众多的天线来将干扰和噪声平均去掉。

（4）大规模M I M O可以用廉价、低功耗的组件来构建。随着大规模MIM O出现，传统系统所使用超线性的价格昂贵50瓦放大器将被数以百计输出功率在毫瓦特范围内的低成本放大器所取代。

4.大规模MIMO技术的研究难题与研究方向

4.1大规模MIMO技术的研究难题

为了能使大规模M I M O技术运用于实际，还有很多问题需要研究和解决。下面给出了这些难题。

（1）传播模型。当前的研究都是在假设大规模MIMO技术依赖可靠良好的传播环境下，即不同用户可用的矢量信道应随着不断增长的天线数量而渐进正交，但需要更多的实验支持这种假设。

（2）导频污染成了制约整个大规模MIMO技术系统性能的瓶颈。在一个大规模M I M O技术系统中理想的情况是每个终端分配一个上行正交导频序列。然而，可以存在正交导频序列的最大数目是有上界的，由于信道延迟扩频划分的相干间隔持续时间的限制。在多蜂窝系统中很容易用尽正交导频序列。从一个小区到另一个小区重复使用导频，带来相关负面后果的影响，被称为“导频污染”，会引起小区间的干扰，减弱系统性能。

（3）低功率众多硬件的挑战。在理想情况下，在包含所有电子元器件、信号处理器与小功率放大器的廉价模块内建造上百个射频链路、上/下变频器等，这就意味着需要一种全新的设计理念。

4.2大规模M I M O技术未来的研究方向

在无线通信网络中使用大规模MIMO技术可以巨大提高系统的容量和频谱效率，这种技术也非常适合应用在包括异构网络和毫米波通信和其他很多方面。

（1）异构网络。为了提供更密集的覆盖范围和高吞吐量，需要灵活部署低成本的小蜂窝网络。把大规模M I M O技术融入于异构网络中，能带来改进的干扰控制和能量效率，是未来的一个研究方向。

（2）毫米波。另外一种能在容量和频谱效率得以巨大提升的技术是通过在毫米波进行通信或者在能更广泛使用的频谱与带宽的30兆赫以上。毫米波技术也和异构网络一样能把大规模MIMO技术应用其中。

5.结语

在本文中我们强调了大规模 M I M O技术作为未来超越第四代蜂窝通信系统的潜能，它允许在基站和移动终端上使用低成本硬件的特点，该技术在能源效率、频谱效率、可靠性方面具有巨大的优势，为了使大规模MIMO技术成为现实，还需要对一些重要问题进行研究解决，比如：信道相关性、硬件应用、小区间干扰处理等。总体而言，大规模MIMO技术将是下一代无线通信系统发展的推动技术之一，将能更高效、节能、安全地使用频谱。

参考文献：

[1]任敏. LTE-A中的小区选择和用户调度算法研究[D].西安：西安电子科技大学，2010年.

[2]T.L.Marzetta.Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of base station antennas[J].IEEE Trans.Wireless Commun， 2010， vol.9， no.11， pp.3590–3 6 0 0 .

[3]E.G.Larsson，F.Tufvesson，O.Edfors，and T.L.Marzetta.Massive MIMO for next generation wireless systems[J].IEEE Commun Mag，2014，vol.52，pp.186-195.