大规模MIMO技术在5G中的应用研究

2019-11-08李晓宇罗海港李超杰

数字通信世界 2019年10期

李晓宇，王磊，罗海港，李超杰

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450000）

5G的主要需求之一是需要支持比LTE网络约1000倍的更大系统容量，但是要与目前蜂窝系统有相9似的成本和能量损耗。为了满足5G的高容量需求和高功率效率，就需要从以下三方面考虑：更宽的频谱、区域内更多基站、提升小区频谱效率。大规模多输入多输出（MIMO）技术是5G通信系统的核心技术，能够深度挖掘空间维度资源，大大提高了每小区的频谱效率，同时，大规模MIMO能够将波束集中在很窄的范围内，并且大幅降低发射功率，进而降低干扰，提升功率效率。

本文从首先从大规模MIMO技术的原理及优势进行了分析，然后介绍了大规模MIMO技术面临的困难，最后对其典型应用场景及对5G系统的影响进行了分析总结。

1 大规模MIMO技术

大规模MIMO系统通常被定义为至少在无线通信链路的一侧（通常在基站侧）配置数十乃至数百根可单独控制的天线元件系统。在基站侧的大规模MIMO的使用示例如图1所示：

图1 具有大规模MIMO基站的多用户和单用户

大规模MIMO除了用于接入链路之外，还可以再多Gb/s回程链路方面发挥关键作用，这些回程链路可以部署再频分以及时分双工系统中的基础设施节点之间。

1.1 大规模MIMO技术原理

大规模MIMO网络利用天线提供的空间自由度（DoF），通过从各天线点发射相同的信号，且给每个天线施加不同的相移，可以在相同的时频资源上为多个用户复用信息，将辐射的信号聚焦到目的用户，最小化小区内和小区间干扰。

相关研究已经表明，当小区的基站天线数趋于无穷时，不同用户之间的信道将趋于正交，加性高斯白噪声、小尺度衰落等负面影响可全都忽略不计，单用户吞吐量仅受限于其他小区中采用相同导频序列的用户的干扰，系统吞吐量较传统MIMO系统提升1个数量级以上。

MIMO系统框图如图2所示，包含N个发射天线，M个接收天线。其中，发射端信号s被分成N路子信息流进行传输，并经过调制和射频前端处理后以相同频率分别经N副天线同时发射出去。通过无线信道的散射传播，不同子信息流从不同路径到达接收机，由M副天线接收，接收机采用先进的信号处理技术对各接收信号联合处理，即可恢复出原始数据流。

图2 MIMO系统框图

发射和接收多天线系统是大规模MIMO无线系统的重要组成部分，其直接影响到MIMO信道的性能。因此，实现高性能的MIMO系统不仅依赖于多径传播的丰富度，还取决于多天线单元的合理设计。

1.2 大规模MIMO技术优势

大规模MIMO系统应用了多天线技术，并且具有更多的发射天线和接收天线，有非常明显的优势。下面从从香农公式的角度验证分析一下大规模天线技术的优势及增益来源。香农公式如下：

（1）实现空间复用：大规模天线技术从另一方面来讲相当于提高了香农公式的变量B。由于大规模MIMO系统传播信道的不相关性，多个数据流能够通过相同时频资源的不同空间传播路径进行传输，因此，可以成数十倍的扩展带宽B，大幅提升了频谱效率。

（2）提升信噪比：各组天线通过波速赋性技术能够定向发射信号，提高信号强度，从而提高了香农公式的S/N。信噪比的提升对于5G中的高频段通信至关重要，能够有效克服高频段通信衰减较快问题，并且能够大幅降低时延。

（3）降低发射功率，硬件成本降低：由于用户信号是经过多个发射天线的信号叠加而成，因此各天线单元仅需很小的的发射功率，有效减弱了网络干扰问题。

2 大规模MIMO技术面临挑战

大规模天线技术作为5G的核心技术之一，得到了学术界和工业界的高度重视，并且进行了大量研究。但是仍然存在一些挑战。其中，最大的挑战在于在发射机侧需要准确的知道信道状态信息（CSI）。原则上，可以通过从各天线元件发射的正交导频信号（参考信号）以及从接收机到发射机反馈的空间信道信息来获得CSI。但是该方法具有一些缺点：一是所需的CSI的导频信号开销随着发射天线的数目呈线性增长。二是在发射机获得CSI的的另一种方式是利用信道的互易性，而利用互易性的成本是其需要进行阵列校准以便考虑不同天线元件的发射和接收射频链中的差异。三是在时变信道中，导频传输、信道估计、信道反馈、波束成形器计算与实际波束形成的数据之间的延迟将会降低大规模MIMO的性能，而使用信道预测技术来减少这种延迟。

大规模MIMO的另一个挑战是对多小区多层网络设计的影响。其中一个问题是存在导频污染的影响。相关文献已经验证了在多天线系统中分配给导频信号和数据传输的时间、频率、码、空间和功率资源之间存在一种权衡。但是在多小区多用户大规模MIMO系统中，导频数据资源分配权衡与导频和数据信号上的小区间干扰（也成为污染）的管理相互影响，因此就需要重新思考如何设计传统系统中的导频信号。

另外，由于天线阵列的大小，实践中的小小区密集部署导致在网络中使用大规模MIMO比较困难。此问题已经都得到了有效解决，一种方法是在宏基站侧部署大规模MIMO，在宏小区和小小区之间同信道部署的情况下，利用空间自由度（DoF）降低宏小区和小小区之间的干扰；另一种方法是在小小区侧部署大规模MIMO，特别是在高频系统中，小天线尺寸允许根据实际部署大规模天线阵列。

针对以上大规模MIMO天线系统面临的挑战和问题，目前很多机构还在不断研究和改善不同的技术解决方案，希望充分释放大规模MIMO系统的优势，在5G中能够有效的使用大规模MIMO技术。

3 大规模MIMO技术典型应用场景

热点场景：目前经相关研究统计发现，数据业务量的特点是在20%的热点区域内承载着70%以上的数据流量。例如商业中心、交通枢纽、大学校园、居民楼等都具有同样的特点：人流密度大、话务负荷高、容量不足等。因此，大规模MIMO技术可以依托自身优势提供较高的空间复用增益和较强的波束赋性能力，较好的改善和这些区域的高容量需求。

3D覆盖场景：像高层建筑类场景，此类场景网络覆盖一般情况比较差，且如何增强覆盖也面临很多挑战。其一，若采用多个天线增强高层覆盖面临站点较难获取的问题；其二、信号经过穿透墙壁后会严重衰弱；其三、上行信号传输增加了建筑物中的小区间干扰。为了解决上述问题，大规模MIMO技术可以发挥自身特点，在垂直面采用大规模天线阵列、能够明显增强对高层建筑的覆盖；同时采用波束赋性技术能够弥补穿透墙壁带来的高损耗；另外，还能够灵活的按需求对波束宽度和方向进行调整，降低小区间干扰，增强3D场景的覆盖和容量。

4 大规模MIMO技术对5G系统的影响

大规模MIMO天线技术的应用势必会给5G系统带来很大的影响。下面主要从天线单元数量、TDDFDD工作模式、天线频段三方面简单介绍一下其如何对5G系统产生影响。

天线单元数量：MIMO系统的容量会随收发两端的天线的最小数量呈线性增长。原理上来讲，收发两端配置的天线数越多，传播信道就会拥有更高的自由度，系统就会表现出更优的性能、更高的可靠性和更大的系统容量。然而，由于其他物理条件限制，如信号处理方面的能源消耗、愈加复杂的硬件系统等，因此在实际中天线的数量也不能任意大。相关研究已经验证，在实际中，当天线数量达到某一值时，系统容量会趋于稳定。

TDD/FDD模式：目前5G系统的研究大部分是在TDD模式下进行的，其与信道估计的开销大小有一定关系。对于TDD系统，上下行传输使用相同的频段，由于信道互易性特点，只需要对上行链路进行信道估计即可。而对于FDD信道，上下行使用的不同频段，CSI也不同，因此就需要对其分别进行信道估计。然而若天线数量进一步增加，下行信道估计会变的极其复杂。同时，业界已经验证当在毫米波频段，会大幅度降低信道估计的开销。因此，后期有望实现大规模MIMO和FDD系统相结合。

天线频段：5G系统采用的高频段通信，带宽较宽，能够显著提升系统的容量和频谱效率。但是毫米波的传播不遵循瑞利信道衰落模型，其更倾向于视距传播和近视距传播。另外，毫米波会导致更高的多普勒偏移。