大规模MIMO 无线通信关键技术探究

2023-09-11薛缠明赵翔宇王绘州郎明世

通信电源技术 2023年15期

薛缠明，赵翔宇，王绘州，郎明世

（太原卫星发射中心，山西太原 036301）

0 引言

随着移动通信业务需求的迅速增长，通信系统需要更大的容量和更高的传输速度。大规模多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）无线通信技术是系统拥有大量的天线，从而显著提升系统容量。通过应用波束赋形和空间复用技术，大规模MIMO 无线通信技术能够获得更强的信号增益，成为5G 通信的核心技术。为更有效地满足用户需求，文章深入研究大规模MIMO 无线通信技术，以推动国内移动通信事业不断发展。

1 MIMO 的基本特征

在通信技术发展的早期阶段，通信通过点对点的方式实现数据传输。随着时间的推移，MIMO 无线通信技术在此基础上得到了发展[1]。在发射端安装大量天线独立传输信号，在接收端利用多个天线同时接收信号，使同步传输和接收多个信息流成为可能。单用户MIMO 如图1 所示。随着天线规模的扩大，无线信道系统的容量相应增加，显著提高了无线信道的容量。由于发送端和接收端位于各自的空间域，即使天线使用相同的频段发送信号，接收机也能根据各种空间域识别不同的信号，这就是空间复用技术[2]。在多个用户设备同时传送信息的情况下，即多个终端设备将信息发送到一个基站时，需要考虑多用户情况。与单用户相比，多用户拥有多个地址接入信道。多用户MIMO 如图2 所示。在具体应用中，不同用户之间的距离通常较远，非常适合进行信息的并行传输，因此多用户能够显著提高系统的传输速度以及频谱的利用效率。

图1 单用户MIMO

图2 多用户MIMO

在大规模MIMO 无线通信技术的实际应用中，合理扩大基站侧天线的规模，对于深入挖掘无线资源并提高系统频谱的利用效率具有重要意义。然而，该过程必须克服技术困难，防止基站侧天线规模扩大导致无线传输出现问题，并主动探索无线通信传输技术的新途径[3]。随着科技的快速发展，大规模无线通信技术不断涌现，已经成为研究者们的热门课题。然而，在目前的研究成果中，大规模MIMO 无线通信系统的全面信道理论和实测建模还没有得到普遍认可。现有的通信传输方案大多基于贝尔实验室的设计思路，设置为单天线形式，且用户规模较小，与基站天线规模相差很远。因此，对于大规模通信技术的探索仍处于初级阶段，需要积极寻找与实际情况相符的模型。在建立信道模型和合理导频开销的基础上，需要分析频谱和功率效果。同时，对于信道信息的获取方式、传送模式以及技术手段，需要进一步深入分析，以充分发掘技术优势，并应用于实际场景，突破通信中的导频开销和数据采集瓶颈。这些技术对于用户共享无线资源、有效处理复杂问题以及系统相关运用问题等具有重要作用。在通信技术快速发展的时代背景下，移动通信技术的进一步深入，对功率和频谱效率提出了更高要求。通过深入开发无线通信资源，可以有效增强无线通信的频谱效率，实现低碳发展。

2 大规模MIMO 无线通信技术介绍及其优势

2.1 大规模MIMO 无线通信技术

大规模MIMO 无线通信技术也被称为大规模天线系统。传统的天线安装通常是2 根或4 根，但大规模MIMO 无线通信技术配置了成百上千根天线。该技术巧妙结合了空间复用技术，利用与传统通信相同的频带资源，扩大了系统容量[4]。目前，对于大规模MIMO 无线通信技术的研究主要涉及3 个方面，即硬件配置、信号传输技术以及系统性能。

2.2 大规模MIMO 无线通信技术的优势

与传统通信技术相比，大规模MIMO 无线通信技术具有诸多优势。首先，基站端的天线规模快速扩张，利用低频带波束进行无线通信，使多用户信道表现出独立同分布的特性。这体现在不同传输信道之间存在正交性，能够有效抑制和消除用户间干扰，降低通信延迟，提高系统传输速度。其次，与传统通信系统相比，基于大规模MIMO 无线通信技术系统拥有数量级更多的基站端天线，使得天线阵列的增益更高。通过信号包络恒定原则和应用波束成形技术，大规模MIMO 无线通信技术能够充分利用空间的相关性，大大降低了数据在发送端的功耗，实现了更低的系统配置，显著降低了硬件成本。最后，基站端安装的天线规模庞大，可以视为天线规模趋近无穷大。大规模MIMO 无线通信系统的传输信道会表现出极快的均衡衰落，显著降低了窗口的等待时长，大幅减少了通信延迟，使用户摆脱了长时间衰落的状态。

大规模MIMO 无线通信技术显著增强了整个系统的传输容量，但在实践应用中仍存在许多需要突破的技术难题，需要进一步研究和解决，以充分发挥大规模MIMO 无线通信技术的作用。

3 大规模MIMO 无线通信关键技术

3.1 大规模MIMO 信道建模技术

对于大规模MIMO 无线通信技术而言，信道建模是最本质和最主要的理论分析手段。准确的高质量信道建模不仅能够为理论分析提供必要条件，还能推动其他技术的发展和系统改革[5]。目前，在大规模MIMO 无线通信信道建模方面的研究已经取得了许多创新性的理论成果。

分析大规模MIMO 无线通信系统模型的过程中，需要重点关注频谱效率、能效以及功耗，并将这些数据作为信道建模的前提条件。研究者们利用真实通信系统内的大规模具体配置进行信道建模模拟，从而获得与实际传输信道基本一致的信道模型，能够准确反映大规模MIMO 无线通信技术在实际通信中的性能，为进一步的技术优化和系统设计提供重要参考。

与传统通信技术相比，大规模MIMO 无线通信技术最显著的特点是拥有庞大的天线数量，不仅能够扩大信道容量，还使得信道空间相关性更加复杂。因此，实际应用过程中存在多种信道模型，而非单一的模型。目前的信道建模工作缺乏统一安排，主要包含实测阶段和推理阶段。实测阶段指通过详细测量真实通信系统内不同无线信道的参数以获取实验数据，为后续的理论探索提供基础。推理阶段则是指利用真实的已有数据，运用数学和物理知识，为具体的测量提供理论支持。尽管信道建模在实践中有不同的类别，但基本上通过实测和推理形式完成。因此，必须将推理和实测有机结合，以统一的方法推进信道建模工作。目前，解决导频污染问题是当前大规模MIMO 无线通信技术的重要任务。该问题并未随着天线规模的扩大而得到有效解决，可能会在大规模MIMO 无线通信技术的具体应用过程中引发较大问题。如果能够获得精确的信道建模数据，则能够有效解决这一问题。

3.2 大规模MIMO 的CSI 获取技术

在无线通信系统中，信道状态信息（Channel State Information，CSI）的完善程度与无线通信的水平密切相关。为有效利用大规模MIMO 无线通信技术，必须获得精准的CSI。如果能够借助推理和经验方法获取精确的CSI，则有利于后续工作的开展。对于无线通信系统，获得精准的CSI 是极其重要且必不可少的步骤。在大规模MIMO 无线通信系统中，下行链路展开预编码过程需要准确的CSI，否则上下行通信无法顺利进行。大规模MIMO 无线通信系统通常包含2类通信模式，即时分双工（Time Division Duplexing，TDD）和频分双工（Frequency Division Duplexing，FDD）。这2 种通信方式在获取信道状态信息的途径方面存在根本性差异[6]。TDD 模式内的一个重要特性是互易性，即上行链路的信道状态信息可以用于下行链路。然而，FDD 模式内没有这样的特性。因此，在频分双工模式中，下行链路的信道状态信息需要从用户端进行信道估计，然后将信息发送给基站。对于大规模MIMO 无线通信技术的应用而言，获取精准的信道状态信息至关重要。不同的通信方式可能需要不同的获取途径，这需要在系统设计和优化中予以充分考虑。

3.3 毫米波通信技术

毫米波通信技术是有效应对无线通信频谱资源匮乏的主要方式。毫米波通信的工作频段为30 ～300 GHz，波长保持在1 ～10 mm。随着大规模MIMO无线通信技术的进步，毫米波通信的优势将更为显著。在毫米波通信中，由于大气衰减的存在，计算时需要考虑电磁波在大气中的传输特性。氧气分子和水蒸气在毫米波频段内会引起信号衰减，而这种衰减与频率密切相关。然而，与低频段无线电波相比，毫米波通信在传输中更易受到频率选择性吸收，因此更适用于短距离大规模无线传输。在通信系统中，当用户规模急速扩张时，TDD 和FDD 的性能都会大幅降低。这是由于用户规模的急速扩张导致导频规模极度匮乏，尤其在TDD 场景下，需要注意导频的二次应用，从而造成导频污染问题。在FDD 模式下，由于用户规模急速扩张和天线规模的增大，通过下行反馈模式获得的信道状态信息会大幅增加开销。若想充分发挥大规模MIMO 无线通信技术的作用和价值，必须有效解决导频污染问题。在TDD 和FDD 之间进行比较，若能找到有效的方式抑制导频干扰，则可以获得更高准确度和更少开销的信道状态信息。因此，解决导频污染问题是确保大规模MIMO 无线通信技术发挥作用的关键。

4 MIMO 无线通信技术的发展前景

6G 通信系统利用人、机、物之间的智能互联，能够实现从移动互联到万物互联，甚至万物智联的飞跃。而大规模MIMO 无线通信技术通过对空间维度资源的充分开发，显著增强了通信网络的容量，成为现阶段和未来物理层的核心技术。随着移动通信系统不断向海量天线和高频段演进与发展，通信技术和感知技术在硬件结构、信道特性、信号处理模式等层面逐渐趋于统一。有机融合大规模MIMO 无线通信技术与通信感知一体化技术，并利用大规模天线阵列提供更强大的空间判断能力，能够极大增强感知能力的潜能。同时，通过将感知能力融入通信系统，能够更加方便地获取信道状态信息，完成波束成形设计，从而提升通信服务的效率和质量。因此，大规模MIMO 无线通信技术有望同时实现高速率的通信和高精准性的感知，有效推动未来车联网、智能家居、工厂等应用的进步。大规模MTMO 无线通信感知一体化应用场景如图3 所示。

图3 大规模MTMO 无线通信感知一体化应用场景

面对未来的6G 移动网络，大规模MIMO 无线通信技术有望与其他物理层核心技术良好融合、共同演进。一是极端规模技术。该技术能够实现对大规模MIMO 无线通信技术的进一步演化、进化以及更新，提高大规模MIMO 无线通信技术的频谱和能量效率，不断增强其性能。由于其具备出色的空间判断能力，可以获取更多种类的信息，帮助感知和判断视距或非视距传播。同时，该技术拥有优化的波束成形水平，可以提供非地面覆盖，有效监控低空的无人机等。在高速移动情境中，通过信息感知实现快速波束对准和动态追踪，增强城市复杂环境下位置服务的安全性。二是无蜂窝大规模MIMO 无线通信技术。该技术借助各基站之间的合作，全面消除各小区之间的干扰，显著提升网络容量，并具备增强感知能力的潜能。通过在更广阔的地理范围内设置更多分布型小基站，远端无线单元通过多接入口获得目标的回波信息，提升信号接收水平。海量的感知数据通过分布型射频与天线回传至中央处理单元，借助多个节点的合作与多个基站的协同计算，实现追踪、定位以及成像等高精度功能需求，为分布型和网络化的感知提供保障。三是智能超表面（Reconfigurable intelligent surface，RIS）。该技术具备诸多独有的优势，如成本低、能耗小、设置难度低等，是6G 网络中的一项核心技术。RIS 能通过无线中继灵活操控信道环境，向通信感知一体化（Integrated Sensing And Communications，ISAC）提供特殊的非视距感知渠道，增强感知的覆盖范围及其稳定性。RIS 和大规模MIMO 技术互相融合，深入发展成为全息技术，不仅能减少成本，还能提供更大的天线孔径，同时在基站或空中平台的设置更简单。借助机动化波束指向与聚焦波束发射，可进一步增强感知的精准程度。