下一代无线通信系统中的MIMO技术应用

摘要：MIMO技术作为无线通信领域的新技术，凭借其高频谱利用率、高系统吞吐率等优势，被广泛应用于现代无线通信系统，如LTE、LTE-A、802.11n/ac等。大规模MIMO（Massive MIMO）技术是无线通信领域的一项重大突破，其利用超大规模的服务天线以及TDD（时分双工）配置来服务激活态终端，为下一代无线通信系统应用开辟了广阔前景。介绍了MIMO的演进技术——大规模MIMO及其应用前景。作为MIMO技术的演进，大规模MIMO技术利用额外的天线把能量集中在更小的空间区域，带来吞吐量和辐射能量效率的大幅提升，以及更低的时延和更好的鲁棒性。但相比于传统MIMO通信技术，大规模MIMO面临全新的技术难题。

关键词关键词：大规模MIMO；OFDM；CDF；TDD系统

DOIDOI：10.11907/rjdk.143797

中图分类号：TP319

文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2015）002010902

基金项目基金项目：

作者简介作者简介：李冉（1982-），男，江苏徐州人，江苏联合职业技术学院徐州财经分院信息技术系讲师，研究方向为计算机网络。

0引言

MIMO技术依赖于发射端与接收端的多天线配置在无线通信系统中发射多流数据，当MIMO被应用于多个终端，并实现通信时，就是多用户MIMO技术。多用户MIMO相比于传统的点对点MIMO拥有更大的优势，其工作在廉价的单天线终端的同时却不需要富散射环境，而且，由于所有激活态的终端充分利用了时频块，因而其资源分配要简化很多。MUMIMO在蜂窝网方面的应用优势主要体现在以下4个方面：①数据速率提升：更多的天线会带来更多的独立数据流被同时发射到更多的终端；②可靠性增强：更多的天线可以带来无限信号更多独立的辐射路径；③能量效率改善：基站在确知终端位置的情况下，可以更集中地辐射到终端空间方位；④干扰抑制：基站可以有目的地避免干扰信号使得期望辐射能量更集中。

尽管上述优势并不能同时达到，而且对于传播环境也有要求，但是这些优势仍然带来了很大益处。无线通信中的MU-MIMO技术在传统应用方式上已经很成熟，并已并入了最近演进的例如4G LTE和LTE-A的无线宽带标准。更多的基站端（或者终端）天线意味着更好的上述4个方面的性能。然而，最新的标准LTE-A仅仅允许在基站端配置8口天线，在当下的天线规模远小于大规模MIMO的天线配置＼[1＼]。

下一代无线通信系统对于系统性能提出了更高的要求，不仅仅体现在数据速率的提升上，更多地是能量效率以及可靠性的提升。相比现有通信系统，下一代通信系统在满足更好的峰值速率、低时延、高系统吞吐率、移动性的同时，提出了异构网、多网互联、绿色基站等新概念。

1MIMO演进技术：大规模MIMO

MIMO作为LTE系统的核心技术之一，在传统时域、频域的2个通信维度上引入了第3通信维度：空域。在不带来额外频谱开销的情况下，依赖于空分复用方式，MIMO技术可以大幅提升系统容量。下一代无线通信系统在通信性能上提出了更高的要求，凭借其巨大的优势，MIMO技术无一例外将作为下一代无线通信系统候选技术并进行长期演进。传统LTE/LTEA系统定义的2*4，4*8的规模已经无法满足下一代通信系统需求，必须考虑在MIMO规模上进行大幅扩充。大规模MIMO是一种新兴的通信技术，通过扩大MIMO规模的数量级来达到更优性能。目标实现在一个时频资源内以几百个天线阵列同时服务几十个终端的规模。大规模MIMO的前提是在保证所有传统MIMO优势的基础上获得更大规模的增益，带来了下一代无线通信系统的高效、安全及高鲁棒、高频率效率的宽带网络部署的可能性，提供了未来利用社会基础设备连通人的网络、物的网络以及云和其它网络基础设备的契机。

到目前为止，关于大规模MIMO在下一代无线通信中的应用更多还是理论上的研究，特别是随机矩阵理论和相关数学研究上的仿真。同时，基础实验平台及初步信道测量也在逐步进行中。

大规模MIMO依赖于空分复用，转而要求基站端有良好的上行与下行信道信息。对于上行而言，通过获取基站发射的导频，基站可以很好地对每个终端进行信道响应估计，而对于下行而言却很难。例如LTE标准的传统MIMO系统，基站基于终端估计的信道响应通过量化反馈到基站端来发射导频波。但对于大规模MIMO系统而言却不适用，一方面是由于高移动性的环境因素，另一方面是基于发射的导频规模以及信道估计的复杂度考虑。

2大规模MIMO的巨大潜力

大规模MIMO技术依赖于基站端所有天线的相位相干和计算简化的信号处理。相比当前MIMO系统，大规模MIMO可以提升至少10倍的信道容量，同时可以提高近100倍的辐射能量效率，在数据速率上开辟了下一代无线通信系统的应用前景。容量的提升得益于大规模MIMO中使用的高效空分复用。由于采用了大量的天线阵元，辐射能量根据波的相干叠加特性，高度集中在一个空间内的很小区域，使得辐射能量效率大幅提升。通过对发射信号的“赋形”，基站端可以确保所有的波前端叠加后共同辐射到期望终端，而不是无目的（随机）地辐射到其它地方。

大规模MIMO由廉价、低成本的阵元组成。无论是对于理论、系统，还是实现等方面来说，大规模MIMO都是一种颠覆性的技术。利用大规模MIMO，使用于传统通信系统中的高昂的高线性性能50瓦特放大器将被替换为几百个输出功率只有毫瓦级的低能耗放大器。一个大规模MIMO系统拥有大量的剩余通信自由度，这些自由度可以被用于更易于硬件实现的信号“赋形”。大规模MIMO 建立的“绿色”基站很好地满足了下一代无线通信系统对于能源效率、辐射效率的需求＼[2＼]。

大规模MIMO提供了减少空口时延的可能。无线通信系统的性能普遍受到衰落的制约，衰落使得接收端接收的信号强度在某些时候很弱。当信号由基站端发射出去，在接收端接收前历经多径环境而产生衰落，信号受到多径破坏性的干扰。正是因为衰落特性才促使建立一个低延迟的无线链路。下一代无线通信系统的发展重点在于不同网络的兼容与融合，低的空口时延提供了数据传输与信令控制的良好链路环境。

另外，大规模MIMO简化了多址接入层的结构。归咎于大数定律，信道响应趋于稳定，以至于频域调度的贡献不再明显。利用OFDM（正交频分多路复用）技术，在大规模MIMO系统中的每个子载波实质上拥有相同的信道增益。每个终端可以被给予全部的带宽，使得大部分的物理层控制信号冗余＼[3＼]。大规模MIMO提升了针对无目的性人为干扰以及蓄意干扰的鲁棒性。民用无线系统的蓄意干扰已经日渐成为一个严重的网络安全问题，这是下一代通信系统必须考虑的问题。由于带宽资源的缺乏，以频率资源承载信息并不灵活，所以提升无线通信鲁棒性的唯一办法就是利用多天线。大规模MIMO提供了大量剩余自由度可以被用于消除蓄意干扰。如果大规模MIMO应用于上行导频进行信道估计，则智能干扰可以产生适度发射功率的有害干扰。采用联合信道估计和解码方案可以从实质上解决上述问题。

3大规模MIMO的限制因素

大规模MIMO技术在下一代通信系统中拥有巨大的潜力及应用前景，但同时也带来了一些限制因素和技术难点。这不仅仅是MIMO技术本身的难点，同时也涵盖了“大规模”这一概念所带来的限制因素。

3.1信道互易性

TDD系统依赖于信道的互易性，这与无线传播信道本身互易一致，除非受到特殊电磁特性材料的影响。然而，基站端和终端接收机的硬件链路在上行和下行间可能不满足互易性。不过，基于校准机制的解决方案已经在实践中较好解决了这个问题，但对于FDD系统而言，实现大规模MIMO的难度仍然很大，因而下一代无线通信系统中的TDD-MIMO拥有巨大优势。

3.2导频污染

理想情况下的大规模MIMO系统中，每个终端都被分配了一个正交的上行导频序列。然而，正交导频序列的数量上限是存在的，其上限依赖于信道相干时间间隔除以信道时延扩展。对于一个典型的运营场景，正交导频序列的数量在一个毫秒级的相干间隔下大约有200个。在多蜂窝系统下，很容易耗尽为数不多的导频资源。

从一个小区到另外一个小区的导频重用，并与负面导频联合起来的现象被称作“导频污染”。具体而言，当服务天线阵列与特定终端相关的导频序列接收的导频信号相关时，导致包含了被共享在一个与信道线性组合的导频序列的其它终端所“污染”的信道估计。导频污染作为一种普遍现象，并不是针对大规模MIMO，但是这种现象对大规模MIMO的影响要远大于经典MIMO系统。业界很多人士认为，导频污染将成为大规模MIMO在下一代通信系统应用性能的最终限制，然而，在一些特定的采用功率控制的假设下，这种观点也受到质疑。如果信道基于导频被很好地估计出来，那么导频污染就要用某种方式去解决。下一代无线通信系统更多要考虑通过优化导频信号分配方式，以及更合理的信道估计算法和新的网络架构预编码方式等来解决大规模MIMO中的导频污染问题。

3.3无线传播环境和信道响应的正交性

大规模MIMO很大程度上依赖于良好的无线传播环境，简言之，良好的无线传播环境意味着基站端与不同终端的信道响应具有足够的差异性。当然，真实天线阵列的信道测量是研究大规模MIMO系统的前提，如何在大规模天线情况下也保证天线间信道的正交性是一个全新的问题。下一代无线通信系统的MIMO技术需要采用精确的大天线阵列配置以及良好的预编码算法，并随着天线规模的扩大而更快地向最优性能收敛＼[2＼]。