大规模MIMO通信发展中存在的难点及解决方案

周昭华

【摘要】 文章阐述了大规模MIMO无线通信的特征，在此基础上，针对大规模MIMO通信发展的特点进行了简要地总结与分析，并提出了大规模 MIMO技术发展中难点的解决方案，以供读者参考。

【关键词】 大规模MIMO 第五代移动通信 频谱效率 问题 解决方案

过去，多输入多输出 （MIMO） 技术在通信网络中得到了广泛应用，它具有无线通信系统的频谱利用率高、降低额外的带宽能耗。近年来，随着移动新业务需求量的不断增大，大大提升了移动通信传输速率需求，用户在使用系统服务中将会产生一些干扰，对系统可靠性影响较大，加上数据速率过高，其功率消耗就越大，因此存在需求上的矛盾，难以满足人们的使用需求。因此，本文通过自身的工作实践，论述了大规模MIMO通信发展中存在的难点及解决方案。

一、大规模MIMO无线通信的特征

在无线通信基站覆盖的区域内，大规模MIMO可以配置10根以上的天线，相对于4G系统（可以配置4根或8根）来说，增加了天线的数量，高达两级以上，这些天线采用大规模集中放置的模式，应用于覆盖区域的用户，且在同一时频资源上，充分发挥基站空间自由度，与基站通信时，大大地提高了频谱效率，以防止小区干扰的能力。利用基站大规模天线配置的分集或阵列增益，能够提高基站和用户之间的功率。

二、大规模MIMO通信发展的特点分析

2.1 随机变化的特性

在传统MIMO中，由于天线数较少，发送端和接收端形成的信道都具备各自的个体性和独特性，相互之间关联性较小。然而，当天线数增加到无穷时，原本属于随机的信道矩阵，此时各元素间将存在一定的确定性，这样矩阵可以通过某些方式进行分解，实现整体运算复杂度的降低。此外，天线阵列的孔径越大，其精确度也将变得越高。

2.2 降低用户间干扰

随着基站侧天线数量的增加，用户间信道趋于正交，而当基站天线数趋于无穷时，通常严重影响通信系统性能的热噪声和不相干的小区间干扰可以忽略不计。无需采用协调不同基站进行合作传输的方法减小干扰，而是通过数量众多的天线来增加有用信号的功率，从而增加信干比，减小干扰的影响。

2.3 降低用户上行发射功率

大规模多天线系统还可以将用户上行数据传输所需的能量降低。前人指出，在保持同样数据吞吐率的情况下，基站天线数M的增加与用户上行数据传输平均功率的降低成正比。

2.4 系统性能受到导频污染的限制

导频污染作为一个常见的现象并不是MassiveMIMO系统所特有的，但是它的影响却是比在原来的MIMO系统中更为深刻。系统性能将唯一受限于相邻小区间重复使用相同的导频序列所带来的导频污染。为减小导频污染，有研究者提出了移位导频序列的方法。在不同小区之间虽然使用相同的导频序列，但是相邻小区之间的导频序列在帧中所处的位置避免相互重叠。这样即使所有用户同时进行上行链路传输也不会发生因导频复用而引起的导频污染。

三、大规模 MIMO技术发展中难点的解决方案

3.1 导频污染问题的解决方案

为降低导频污染对系统性能造成的不利影响，应采取以下的解决方案：

（1）使用优化的导频分配方案。例如，预先将多个小区分组，某些分组的UE向基站发送导频时，其余分组的UE接收数据，避免所有小区的UE同时向基站发送导频，这种方法在无需多小区合作的情况下能有效减少导频污染所造成的小区间干扰。例如，利用信道的二阶统计信息进行多小区协作 Bayesian信道估计，可自适应地为 UE 分配导频序列并充分协调导频的用量，减轻导频污染。

（2）使用高效的信道估计方法。由于导频污染的根源在于使用导频辅助信道估计，因此，一种可行的方案是使用盲信道估计，不再使用导频从而避免导频污染。另外，考虑到无线信道自然的稀疏性，可利用压缩感知技术，进行稀疏信道估计和导频设计，降低导频开销，减轻导频污染。

3.2 大规模 MIMO系统的信道模型

在大规模MIMO系统中，基站配置有大量天线，MIMO传输的空间分辨率显著提高，无线传输信道存在着新的特性，需要深入系统地探讨适用于大规模 MIMO系统的信道模型。在给定的信道模型和发射功率约束下，精确地表征该信道所能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，可为传输系统的优化设计、频谱效率及能量效率等性能评估提供重要的依据。

现有工作往往假设大规模 MIMO信道是独立同分布（Independennt and iedntically distributed，IID）信道。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，这使得基于IID信道的相关分析结果存在着较大的局限性，一定程度上制约了大规模 MIMO无线通信理论方法的深入研究工作。

大规模MIMO系统中基站配置有大量的天线，天线密度过高、挨得太近容易使传输信道呈现相关性，降低信道容量，例如，为保证信道不相关，天线之间的距离至少需要保持在四分之一波长以上，频段越高，波长越小，相同的空间可布局的天线数目更多；另一方面，现有频段的频谱资源十分紧缺，可以考虑使用毫米波频段甚至更高频段，而不同的频段具有不同的无线传播特性，相应的信道模型也不尽相同。因此，在不同的频段、不同的天线及布局条件下，大规模MIMO无线信道的理论建模和实测建模工作亟需深入开展。

3.3 低复杂度的传输技术的实现方法

大规模MIMO 系统中基站配置有大量的天线，相比于现有的MIMO系统，将产生海量的数据，从而对射频和基带处理算法提出更高的要求。在此情况下，处理方法越简单，则实现复杂度越低，而简单意味着使用线性或者近似线性的处理方法，尽可能避免使用非线性的方法。

大規模 MIMO 系统需要使用大量的射频单元，为了减轻功率放大器的负担，要求调制信号具有较低的峰均比（PAPR），并使用恒包络或者近似恒包络的调制方式。同时，有必要充分考虑单载波方案在大规模 MIMO 系统各种传输场景下的可行性。

考虑到大规模 MIMO 系统中上行链路的信号检测和下行链路的波束成型涉及高维矩阵求逆运算，系统实现复杂度高，因此，需要思考现有 MIMO 系统的多用户无线传输理论与方法的适用性。研究适于大规模 MIMO 系统的资源分配、用户调度、信号检测、波束成形、分集传输、空时编码、多小区协作机制及其低复杂度实现方法。

另外，TDD大规模MIMO系统充分利用了上行信道和下行信道的互易性，然而在实际硬件系统中，并不能达到完全互易。为了保证大规模MIMO系统的高波束分辨率与高信道增益，需要高精度的信道校准方法使基站侧收发通道达到很好的一致性，保证波束成型的准确性。基站天线阵列在波束成型或导向矢量作用下，在空间维度合成很窄的波束，精确指向待接收的UE，可以增强其接收性能，提高接收信号功率，减少UE之间和小区间的干扰。

四、 结语

综上所述，本文分析了大规模MIMO通信发展的特点，应就大规模 MIMO 系统导频污染问题、大规模 MIMO系统的信道模型和低复杂度的传输方法进行了详细地分析。大规模MIMO系统由于具有大幅度提升频谱利用率、能量利用率的特点，因此成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向之一。相信在不久的未来，大规模 MIMO系统在通信行业中将会得到了更加广泛的应用。

参 考 文 献

[1]毕奇.LTE 多天线技术发展趋势[J].电信科学，2014，10：1-7

[2]王海荣.大规模MIMO多小区TDD系统中的导频污染减轻方法[J].信号处理，2013，29（2）：171-180