大规模MIMO无线通信关键技术

基于大规模MIMO基本架构，探讨了信道建模和系统性能分析、信道状态信息获取技术、多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术；认为利用大规模阵列天线的多用户多输入多输出（MIMO）传输，将显著提升无线通信系统的频谱效率及功率效率。

大规模MIMO；宽带无线通信；绿色无线通信

现代信息社会的发展，使得宽带信息服务逐步延展到移动终端成为必然趋势，以提供语音业务为主的传统蜂窝移动通信系统，正逐步演变为向移动用户提供互联网接入以及视频和多媒体业务的宽带移动通信系统。

在过去的20年中，移动通信技术不断进步，技术标准不断演进，最新推出的第四代移动通信技术（4G），其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特，能够在较大程度上满足今后一段时期内宽带移动通信应用需求[1]。然而，随着智能终端普及应用及移动新业务需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，至2020年，无线通信的传输速率需求将是目前正在运营系统的千倍[2]，能够支撑高达每秒千兆比特传输速率的4G移动通信系统，将仍然难以满足未来移动通信的应用需求。另一方面，随着全球范围内移动用户数与高速数据业务应用的增长以及信息技术系统能源消耗所占比例的不断增加，降低移动通信网络系统的能源消耗已逐渐成为移动通信发展的重要需求[3]，以支持高速率传输为主要目标的4G移动通信技术，将难以满足未来移动通信对能耗效率的需求。因此，移动通信技术需要在4G基础上不断演进，满足超高传输速率无线通信的相关需求。

世界各国在推动4G产业化工作的同时，已开始着眼于新一代移动通信技术（5G）的研究，力求使无线移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃。4G之后移动通信的发展，需要新的重大科学问题的解决和原理性的突破，在无线频谱资源日趋紧张的情况下，如何在4G基础上，将无线移动通信的频谱效率和功率效率进一步提升一个量级以上，是4G之后移动通信技术的核心所在。4G之后移动通信发展需要在网络系统结构、组网技术及无线传输技术等方面进行新的变革，从根本上解决移动通信的频谱有效性和功率有效性问题，实现更高频谱效率和绿色无线通信的双重目标。

面向4G之后移动通信的发展，为提高无线资源利用率、改善系统覆盖性能、显著降低单位比特能耗，异构分布式协作网络技术及智能自组织组网技术得到业界更加广泛的关注[2-4]。

在分布式协作网络系统中，处于不同地理位置的节点（基站、远程天线阵列单元或无线中继站）在同一时频资源上协作完成与多个移动通信终端的通信，形成网络多输入多输出（MIMO）信道，可以克服传统蜂窝系统中MIMO技术应用的局限，在提高频谱效率和功率效率的同时，改善小区边缘的传输性能。然而，在目前典型的节点天线个数配置和小区设置的情况下，研究工作表明网络MIMO传输系统会出现频谱和功率效率提升的“瓶颈”问题[5]。为此，研究者们提出在各节点以大规模阵列天线替代目前采用的多天线[6-7]，由此形成大规模MIMO无线通信环境（如图1所示），以深度挖掘利用空间维度无线资源，解决未来移动通信的频谱效率及功率效率问题。

大规模MIMO无线通信的基本特征是：在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统中的4（或8）根天线数增加一个量级以上，这些天线以大规模阵列方式集中放置；分布在基站覆盖区内的多个用户，在同一时频资源上，利用基站大规模天线配置所提供的空间自由度，与基站同时进行通信，提升频谱资源在多个用户之间的复用能力、各个用户链路的频谱效率以及抵抗小区间干扰的能力，由此大幅提升频谱资源的整体利用率；与此同时，利用基站大规模天线配置所提供的分集增益和阵列增益，每个用户与基站之间通信的功率效率也可以得到进一步显著提升。

大规模MIMO无线通信通过显著增加基站侧配置天线的个数，以深度挖掘利用空间维度无线资源，提升系统频谱效率和功率效率，其所涉及的基本通信问题是：如何突破基站侧天线个数显著增加所引发的无线传输技术“瓶颈”，探寻适于大规模MIMO通信场景的无线传输技术。

近两年来，大规模MIMO无线通信引起了研究者们的广泛关注，文献上出现了一些初步的相关研究工作报道[8-18]，这些工作涉及传输性能分析、传输方案设计等多个方面。从已报道的工作可见：

（1）关于大规模MIMO信道的理论建模和实测建模的工作较少，还没有受到广泛认可的信道模型出现。

（2）所涉及的传输方案大都基于贝尔实验室提出的方案[6]，即在配备单天线的用户数目远小于基站天线个数的假设下，通过上行链路正交导频和时分双工（TDD）系统上下行信道互易性，基站侧获得多用户上下行信道参数估计值，并以此实施上行接收处理和下行预编码传输。

（3）传输方案性能分析往往假设大规模MIMO信道是理想的独立同分布（IID）信道，在此条件下，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题。

由此可知，大规模MIMO无线通信技术研究尚处在起步阶段，为充分挖掘其潜在的技术优势，需要探明符合典型实际应用场景的信道模型，并在实际信道模型、适度的导频开销及实现复杂性等约束条件下，分析其可达的频谱效率和功率效率，进而探寻信道信息获取技术及最优传输技术，解决大规模MIMO无线通信所涉及的导频开销及信道信息获取“瓶颈”问题、多用户共享空间无线资源问题、系统实现复杂性问题、对中高速移动通信场景及频分双工（FDD）系统的适用性问题等。

综上所述，4G之后移动通信对频谱效率及功率效率提出了更高的要求，大规模MIMO无线通信能够深度挖掘空间维度无线资源，大幅提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑未来新一代宽带绿色移动通信最具潜力的研究方向之一。

本文对大规模MIMO无线通信关键技术进行探讨，重点包括复杂无线环境中大规模MIMO信道模型和系统性能分析技术、信道状态信息获取技术及多用户上下行无线传输技术等方面。

1 信道模型及系统性能

分析技术

信道模型与系统性能分析是无线通信系统设计的基础。在大规模MIMO无线通信环境下，基站侧配置大规模阵列天线，MIMO传输信道的空间分辨率得到显著增强，大规模MIMO无线传输信道存在着新的特性，需要深入系统地探讨。值得注意的是，尽管大规模MIMO已引起国际上的广泛关注，但有关大规模MIMO信道的理论建模和实测建模的工作较少。

已报道的文献中往往假设大规模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分实测结果表明，实际的大规模MIMO无线传输信道并不能满足IID假设，信道能量往往集中在有限的空间方向上[13，17]，这使得基于IID信道的相关分析结果存在着较大的局限性。各种应用场景下大规模MIMO无线信道的理论建模和实测建模的工作是有待进一步开展。

在给定的信道模型和发射功率约束下，精确地表征信道能够支持的最大传输速率，即信道容量，并由此揭示各种信道特性对信道容量的影响，可为传输系统优化设计、频谱以及功率效率等性能评估提供重要的依据。

在已报道的文献中，有关容量和传输方案性能分析大都假设信道满足IID条件，在此条件下，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题[6，11]，而最近的工作已表明，如果这一理想信道假设条件成立，通过在多个基站之间联合实施统计预编码，理论上可以完全消除导频污染问题[14]。

对于带空间相关性的大规模MIMO信道，利用各用户的统计信道信息，通过多个基站之间联合实施导频调度，也可以有效减轻导频污染[12]。对于典型实际应用场景下无线信道特性对大规模MIMO传输性能影响的研究工作则有待进一步开展。

2 信道状态信息获取技术

信道估计是信号检测和自适应传输的基础，对于大规模MIMO无线传输性能起重要影响作用。在贝尔实验室提出的TDD大规模MIMO传输方案中[6]，小区中的各用户（通常假设配置单个天线）向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用TDD系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别地，在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，成为系统的“瓶颈”。开展导频受限条件下的TDD大规模MIMO信道信息获取技术研究具有重要的实际应用价值[19]。

此外，贝尔实验室提出的传输方案需要利用TDD模式上下行信道互异性[6]，不适用于FDD模式。针对该问题，美国南加州大学提出了联合空分复用（JSDM）传输方案[8]。其主要思想是，基站侧利用不同用户的信道二阶统计量进行用户分组及预波束赋形，由于预波束赋形之后的等效信道维度显著降低，在该等效信道上实施信道估计能够显著降低信道状态信息获取所需的开销，这使得FDD模式下大规模MIMO信道信息获取成为可能。

JSDM方案假设在同一组内的不同用户的信道协方差矩阵具有相同的特征向量，而组间用户的信道协方差矩阵相互正交，该信道假设过于理想，在实际中通常难以满足。深入开展在实际信道条件下的导频受限FDD大规模MIMO传输技术研究具有重要性[20]。

3 多用户传输技术

如何实现多用户空间无线资源共享及如何优化设计多用户上下行传输系统，涉及基站侧和用户端所能够获得的信道状态信息。在大规模MIMO无线通信系统中，基站侧与用户端均难以获取完整信道的瞬时状态信息，这意味着大规模MIMO传输技术将不同于现有的MIMO传输技术。在已报道的有关工作中，所涉及的基本传输方案大都是贝尔实验室提出的最初方案，利用上行链路正交导频和TDD系统上下行信道互易性，基站侧可获得多用户上下行信道参数估计值，基站侧假定所获取的信道参数估计值为真实值，并以此实施多用户联合上行接收处理和下行预编码传输[6，10]。

该传输方案中，基站侧将信道估计值作为真实值来实施上下行传输，传输的鲁棒性无法保证；单个用户仅配置单根天线，当系统中用户数较少时，频谱效率仍然较低；上行链路的信号检测和下行链路的预编码传输涉及高维矩阵求逆运算，系统实现复杂度高；FDD系统中所有用户瞬时信道信息获取困难，存在着FDD系统的适用性问题。能否突破信道信息获取的“瓶颈”问题，在基站侧仅知部分信道信息时，实现多用户共享空间无线资源和高性能高鲁棒性低复杂度的大规模MIMO无线传输，是有待解决的重要问题。

4 结束语

小规模天线配置下的MIMO无线通信已趋于成熟并存在性能局限，大规模MIMO无线通信能够大幅度提升无线通信系统频谱利用率和功率利用率，目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一。尽管大规模MIMO无线通信技术已引起国际上的广泛关注，但相关研究工作尚处在起步阶段。

基于大规模MIMO基本架构，本文讨论了信道建模和系统性能分析技术、信道状态信息获取技术及多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术的研究进展。

1 信道模型及系统性能

分析技术

信道模型与系统性能分析是无线通信系统设计的基础。在大规模MIMO无线通信环境下，基站侧配置大规模阵列天线，MIMO传输信道的空间分辨率得到显著增强，大规模MIMO无线传输信道存在着新的特性，需要深入系统地探讨。值得注意的是，尽管大规模MIMO已引起国际上的广泛关注，但有关大规模MIMO信道的理论建模和实测建模的工作较少。

已报道的文献中往往假设大规模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分实测结果表明，实际的大规模MIMO无线传输信道并不能满足IID假设，信道能量往往集中在有限的空间方向上[13，17]，这使得基于IID信道的相关分析结果存在着较大的局限性。各种应用场景下大规模MIMO无线信道的理论建模和实测建模的工作是有待进一步开展。

在给定的信道模型和发射功率约束下，精确地表征信道能够支持的最大传输速率，即信道容量，并由此揭示各种信道特性对信道容量的影响，可为传输系统优化设计、频谱以及功率效率等性能评估提供重要的依据。

在已报道的文献中，有关容量和传输方案性能分析大都假设信道满足IID条件，在此条件下，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题[6，11]，而最近的工作已表明，如果这一理想信道假设条件成立，通过在多个基站之间联合实施统计预编码，理论上可以完全消除导频污染问题[14]。

对于带空间相关性的大规模MIMO信道，利用各用户的统计信道信息，通过多个基站之间联合实施导频调度，也可以有效减轻导频污染[12]。对于典型实际应用场景下无线信道特性对大规模MIMO传输性能影响的研究工作则有待进一步开展。

2 信道状态信息获取技术

信道估计是信号检测和自适应传输的基础，对于大规模MIMO无线传输性能起重要影响作用。在贝尔实验室提出的TDD大规模MIMO传输方案中[6]，小区中的各用户（通常假设配置单个天线）向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用TDD系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别地，在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，成为系统的“瓶颈”。开展导频受限条件下的TDD大规模MIMO信道信息获取技术研究具有重要的实际应用价值[19]。

此外，贝尔实验室提出的传输方案需要利用TDD模式上下行信道互异性[6]，不适用于FDD模式。针对该问题，美国南加州大学提出了联合空分复用（JSDM）传输方案[8]。其主要思想是，基站侧利用不同用户的信道二阶统计量进行用户分组及预波束赋形，由于预波束赋形之后的等效信道维度显著降低，在该等效信道上实施信道估计能够显著降低信道状态信息获取所需的开销，这使得FDD模式下大规模MIMO信道信息获取成为可能。

JSDM方案假设在同一组内的不同用户的信道协方差矩阵具有相同的特征向量，而组间用户的信道协方差矩阵相互正交，该信道假设过于理想，在实际中通常难以满足。深入开展在实际信道条件下的导频受限FDD大规模MIMO传输技术研究具有重要性[20]。

3 多用户传输技术

如何实现多用户空间无线资源共享及如何优化设计多用户上下行传输系统，涉及基站侧和用户端所能够获得的信道状态信息。在大规模MIMO无线通信系统中，基站侧与用户端均难以获取完整信道的瞬时状态信息，这意味着大规模MIMO传输技术将不同于现有的MIMO传输技术。在已报道的有关工作中，所涉及的基本传输方案大都是贝尔实验室提出的最初方案，利用上行链路正交导频和TDD系统上下行信道互易性，基站侧可获得多用户上下行信道参数估计值，基站侧假定所获取的信道参数估计值为真实值，并以此实施多用户联合上行接收处理和下行预编码传输[6，10]。

该传输方案中，基站侧将信道估计值作为真实值来实施上下行传输，传输的鲁棒性无法保证；单个用户仅配置单根天线，当系统中用户数较少时，频谱效率仍然较低；上行链路的信号检测和下行链路的预编码传输涉及高维矩阵求逆运算，系统实现复杂度高；FDD系统中所有用户瞬时信道信息获取困难，存在着FDD系统的适用性问题。能否突破信道信息获取的“瓶颈”问题，在基站侧仅知部分信道信息时，实现多用户共享空间无线资源和高性能高鲁棒性低复杂度的大规模MIMO无线传输，是有待解决的重要问题。

4 结束语

小规模天线配置下的MIMO无线通信已趋于成熟并存在性能局限，大规模MIMO无线通信能够大幅度提升无线通信系统频谱利用率和功率利用率，目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一。尽管大规模MIMO无线通信技术已引起国际上的广泛关注，但相关研究工作尚处在起步阶段。

基于大规模MIMO基本架构，本文讨论了信道建模和系统性能分析技术、信道状态信息获取技术及多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术的研究进展。

1 信道模型及系统性能

分析技术

信道模型与系统性能分析是无线通信系统设计的基础。在大规模MIMO无线通信环境下，基站侧配置大规模阵列天线，MIMO传输信道的空间分辨率得到显著增强，大规模MIMO无线传输信道存在着新的特性，需要深入系统地探讨。值得注意的是，尽管大规模MIMO已引起国际上的广泛关注，但有关大规模MIMO信道的理论建模和实测建模的工作较少。

已报道的文献中往往假设大规模MIMO信道是IID信道[6，9，14，15]。然而部分实测结果表明，实际的大规模MIMO无线传输信道并不能满足IID假设，信道能量往往集中在有限的空间方向上[13，17]，这使得基于IID信道的相关分析结果存在着较大的局限性。各种应用场景下大规模MIMO无线信道的理论建模和实测建模的工作是有待进一步开展。

在给定的信道模型和发射功率约束下，精确地表征信道能够支持的最大传输速率，即信道容量，并由此揭示各种信道特性对信道容量的影响，可为传输系统优化设计、频谱以及功率效率等性能评估提供重要的依据。

在已报道的文献中，有关容量和传输方案性能分析大都假设信道满足IID条件，在此条件下，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题[6，11]，而最近的工作已表明，如果这一理想信道假设条件成立，通过在多个基站之间联合实施统计预编码，理论上可以完全消除导频污染问题[14]。

对于带空间相关性的大规模MIMO信道，利用各用户的统计信道信息，通过多个基站之间联合实施导频调度，也可以有效减轻导频污染[12]。对于典型实际应用场景下无线信道特性对大规模MIMO传输性能影响的研究工作则有待进一步开展。

2 信道状态信息获取技术

信道估计是信号检测和自适应传输的基础，对于大规模MIMO无线传输性能起重要影响作用。在贝尔实验室提出的TDD大规模MIMO传输方案中[6]，小区中的各用户（通常假设配置单个天线）向基站发送相互正交的导频信号，基站利用接收到的导频信号，获得上行链路信道参数的估计值，再利用TDD系统上下行信道的互易性，获得下行链路信道参数的估计值，由此实施上行检测和下行预编码传输。随着用户数目的增加，用于信道参数估计的导频开销随之线性增加，特别地，在中高速移动通信场景，导频开销将会消耗掉大部分的时频资源，成为系统的“瓶颈”。开展导频受限条件下的TDD大规模MIMO信道信息获取技术研究具有重要的实际应用价值[19]。

此外，贝尔实验室提出的传输方案需要利用TDD模式上下行信道互异性[6]，不适用于FDD模式。针对该问题，美国南加州大学提出了联合空分复用（JSDM）传输方案[8]。其主要思想是，基站侧利用不同用户的信道二阶统计量进行用户分组及预波束赋形，由于预波束赋形之后的等效信道维度显著降低，在该等效信道上实施信道估计能够显著降低信道状态信息获取所需的开销，这使得FDD模式下大规模MIMO信道信息获取成为可能。

JSDM方案假设在同一组内的不同用户的信道协方差矩阵具有相同的特征向量，而组间用户的信道协方差矩阵相互正交，该信道假设过于理想，在实际中通常难以满足。深入开展在实际信道条件下的导频受限FDD大规模MIMO传输技术研究具有重要性[20]。

3 多用户传输技术

如何实现多用户空间无线资源共享及如何优化设计多用户上下行传输系统，涉及基站侧和用户端所能够获得的信道状态信息。在大规模MIMO无线通信系统中，基站侧与用户端均难以获取完整信道的瞬时状态信息，这意味着大规模MIMO传输技术将不同于现有的MIMO传输技术。在已报道的有关工作中，所涉及的基本传输方案大都是贝尔实验室提出的最初方案，利用上行链路正交导频和TDD系统上下行信道互易性，基站侧可获得多用户上下行信道参数估计值，基站侧假定所获取的信道参数估计值为真实值，并以此实施多用户联合上行接收处理和下行预编码传输[6，10]。

该传输方案中，基站侧将信道估计值作为真实值来实施上下行传输，传输的鲁棒性无法保证；单个用户仅配置单根天线，当系统中用户数较少时，频谱效率仍然较低；上行链路的信号检测和下行链路的预编码传输涉及高维矩阵求逆运算，系统实现复杂度高；FDD系统中所有用户瞬时信道信息获取困难，存在着FDD系统的适用性问题。能否突破信道信息获取的“瓶颈”问题，在基站侧仅知部分信道信息时，实现多用户共享空间无线资源和高性能高鲁棒性低复杂度的大规模MIMO无线传输，是有待解决的重要问题。

4 结束语

小规模天线配置下的MIMO无线通信已趋于成熟并存在性能局限，大规模MIMO无线通信能够大幅度提升无线通信系统频谱利用率和功率利用率，目前已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一。尽管大规模MIMO无线通信技术已引起国际上的广泛关注，但相关研究工作尚处在起步阶段。

基于大规模MIMO基本架构，本文讨论了信道建模和系统性能分析技术、信道状态信息获取技术及多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术的研究进展。