大规模MIMO系统传输关键技术的研究进展

欧阳洁

摘 要 大规模MIMO技术是基于传统MIMO技术创新发展下形成的无线通信技术，在通信领域中对提升通信质量与效率具有积极影响作用，是面向5G无线通信进行研究的重要技术手段。文章从大规模MIMO的原理出发，对大规模MIMO系统传输关键技术的难点与改建方案进行了简要分析，以供参考。

关键词 大规模MIMO系统；系统传输；关键技术

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）217-0119-02

物联网的兴起与移动智能终端、移动互联网业务创新发展，对无线通信传输速率、质量与效率提出了更高的要求。实现移动通信系统通信可靠性、低功耗、同时频多用户服务的协调发展，成为新时期移动通信系统构建的客观需求与必然趋势。在此背景下，可应用大规模MIMO系统传输技术，进行空间无线资源的挖掘与无线传输功率效率的提升。因此，大规模MIMO系统传输技术应成为提高系统高频谱效率，面向5G无线通信发展的关键技术之一。基于此，有必要对大规模MIMO系统传输技术进行研究，用以促进大规模MIMO系统传输技术优化发展。

1 大规模MIMO的原理

MIMO（Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出）技术主要是指反射端与接收端分别利用多个反射天线与接受天线，进行信号的传送与接受，对提升空间天线资源利用率，提升无线通信系统通道容量具有重要现实意义[ 1 ]。多输入多输出（MIMO）技术最早是在1908年由Marconi提出并得到深入研究与广泛应用，并成为3G/4G通信系统建设与发展过程中至关重要的技术。

就目前无线通信系统实际发展现状来看，无线通信系统通常由一个BS（base station，基站）与多个MS（mobile station，移动用户终端设备）共同组成。因此，在实际通信过程中，需要实现多用户MIMO。而在多个小区MIMO条件下，小区内存在的干扰信号虽然可以通过应用时分、频分、码分等技术进行控制或消除，但是其整体效果并不理想，需要应用更为复杂的技术进行处理，如MLMUD（Maximum Likelihood Multi-User Detection，最大似然多用户检测）与DPC（Dirty Paper Coding，脏纸编码）技术进行处理[2]。在此过程中，需要进一步提升MIMO系统频谱效率与功率。

与此同时，随着物联网的兴起以及移动智能终端的不断增多、移动互联网业务的创新发展，无线通信领域对移动通信系统提出了更高的要求，增强系统通信容量成为必然诉求。对此，在4G通信的基础上，进行了5G通信定义，提出大规模MIMO概念。而大规模MIMO的基本原理在一定程度上与相控阵雷达技术中的DBF技术存在相似性，即通过加权合成实现目标方向的效率效益提高，实现非目标方向效益效率的降低，进行干扰方向置零处理。不同之处在于大规模MIMO从信号处理层面入手，进行具体实践。

2 大规模MIMO系统传输关键技术的研究进程

2.1 大规模MIMO系统优势分析

相对与传统MIMO系统而言，大规模MIMO系统可实现空间维度资源的深度挖掘，是同一基站覆盖范围呃逆多个用户实现同一时频内的有效通信，并在不增加基站目与无线带宽的基础上，实现高频谱效率的提升。与此同时，大规模MIMO系统传输技术在实践应用过程中，所形成的波束相对较窄，适用于小空间通信，促进基站与用户设备之间传输链路上能量效率的增强，实现低功率基站信号发射。此外，大规模MIMO系统传输技术的鲁棒性能相对较好，则可实现系统空间自由度的提升，并在信道布置中形成零空间，实现干扰信号的有效防控与消除。

2.2 大规模MIMO系统传输关键技术特征、难点与改进方案

就FDD（Frequency Division Duplexing，频分双工）MIMO系统而言，在FDD MIMO系统中，基站覆盖范围内的用户设备可預先进行下行通道的科学评估，并在此基础上通过带宽有限反馈链路，实现所评估信道量化码本索引在基站上的有效反馈[3]。与此同时，基站通过应用得到的通信链路信道属性（Channel State Information，CSI）使FDD MIMO系统使用当前信道条件，保证通信的稳定性与可靠性。此外，通过计量波束成型矢量（下行链路）进行FDD MIMO系统传输性能与信号抗干扰性能的提升。

但是由于FDD MIMO系统中，随着基站天线数量的不断增多，所需要的下行信道估计导频开销也就越大（通常情况下二者成正比例关系）。但是，在FDD MIMO系统中，为提升基站与用户设备之间的通信效率，基站不同发送天线的导频应存在正相交特征，对此基站天线数量相对较多。因此，FDD MIMO系统的构建与应用需面对如下挑战。

其一，在有效的导频开销条件下，系统将无法满足基站大规模天线正交导频要求。

其二，随着用户设备端带评估信道规模的增加，对用户设备端本身性能提出了更好的要求，加大用户设备负担，降低用户设备使用寿命。

其三，用户设备在将所评估的信道的量化码本索引进行基站反馈时，由于反馈量相对较大，对系统性能、系统导频开销存在较高要求。

因此，在对大规模MIMO系统传输关键技术进行研究时，关于FDD模式的大规模MIMO系统研究相对较少，更侧重于TDD（Time Division Duplexing，时分双工）MIMO系统的研究与应用。TDD系统不需要成对的频率就能够进行各频率资源的有效应用，其上行链路与下行链路信道的互易性相对较强，信道估计的复杂程度与基站天线数不相关，与用户设备数量存在正比例关系，但不会对用户设备使用情况产生消极影响[4]。相对而言TDD系统的优势更为明显，实用性更强。

就TDD系统而言，TDD系统利用信道所具有的互易性，实现了同一频率信道不同时隙的信息接收与发送，并可进行上行与下行时刻转换的灵活设置，满足不对称互联网网业务需求。因此，在TDD系统中传统的大规模MIMO系统传输方式已经不再适用于该系统，进行大规模MIMO系统传输技术完善与传输方案创新改革成为必然趋势。在此过程中，需要对大规模MIMO系统传输技术应用过程中存在的难点进行分析，采取行之有效的措施与方法实现问题的解决。

通常情况下，在大规模MIMO系统传输技术应用过程中，导频污染是影响最大的导频瓶颈问题。在传统MIMO系统传输过程中，由于基站天线数量相对较少（4G环境下4～8根左右），导频污染、环境噪声、干扰信号等皆对系统性能存在较大的影响，但是随着基站天线数量的不断增加（面向 5G的大规模MIMO系统传输基站天线数可达到成百上千根），环境噪声与干扰信号的影响减少，在一定程度上可忽略不计，对此导频污染问题愈发凸显，成为制约大规模MIMO系统传输技术应用的主要影响因素。与此同时，在TDD系统中，导频时长需要比信道相干时间要小，但是由于导频频域宽度在一定程度上与用户设备端上行带宽存在关联性，需要满足小区用户设备之间通信的导频需求，对此大规模MIMO系统传输技术在实践应用过程中需要对全面频率复用进行综合分析，实现所有小区对频率资源的有效应用。但是在以优先保证小区内用户设备导频正交时，则无法保证上述目标的有效达成，基站在导频污染问题影响下，不能做出准确评估，从而影响大规模MIMO系统应用的整体质量与效果。对此，为降低导频污染问题对大规模MIMO系统传输关键技术应用的影响，可进行如下方案设计与实践。

首先，组织开展小区协作发展策略，实现MMSE准则（最小均方误差准则）下波束成型，改善小区内部存在的信号干扰问题。

其次，调整导频分配方案，如事前对多小区进行科学分组，并在此基础上进行导频发射与导频接收的双向互动，避免出现同一时间内所有小区用户设备向基地发送/接收导频现象的产生。此外，引用高校信道估计技术与方法，如压缩感知技术，降低导频开销。

3 结论

总而言之，大规模MIMO系统传输技术是在传统MIMO技术延伸下形成的新兴技术，对提升无线通信系统频谱功率效率具有积极影响作用。由IMT-2020（5G）推进组提出的“5G概念”可知，大规模MIMO系统传输技术已经成为5G无线通信领域研究与发展的关键技术。本文通过介绍大规模MIMO系统原理，分析大规模MIMO系统关键技术难点与改建方案，用以对大规模MIMO系统传输技术具有更为深刻的认知与了解，促进技术在无线通信领域中的优化应用。

参考文献

[1]王茜竹，邱聪聪，黄德玲.面向5G的大规模MIMO關键技术研究分析[J].电子技术应用，2017，43（7）：24-27.

[2]张雷，代红.面向5G的大规模MIMO技术综述[J].电讯技术，2017，57（5）：608-614.

[3]栾帅，冯毅，张涛，等.浅析大规模MIMO天线设计及对5G系统的影响[J].邮电设计技术，2016（7）：28-32.

[4]韩玉楠，李轶群，李福昌，等.Massive MIMO关键技术和应用部署策略初探[J].邮电设计技术，2016（7）：23-27.