浅析发展5G通信中的大规模MIMO技术

李佩航+王芳

摘要：随着4G在日常生活中的普及，5G的概念慢慢出现在人们视野，作为下一代蜂窝数据通信，5G将会拥有更强大的数据吞吐量和更高的能量效率，让用户体验到更快的上网体验。大规模MIMO技术是实现5G系统不可或缺的一环。本文首先介绍MIMO的概念和发展历程，随后分析MIMO技术，最后讨论MIMO对发展5G的重要性。

关键词：5G；MIMO；信道估计；天线技术；多用户传输技术

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）06-0036-02

1 引言

移动通信网络经历了2G、3G、4G的发展，但是随着移动数据量和接入设备数的激增，这些技术可能无法满足一些人群的需求，因此，无论是国内还是国外都纷纷把目光集中在发展5G技术上。在发展5G技术的过程中，出现了一些重要技术，大规模MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）技术就是其中之一[6]。大规模MIMO技术[6]作为21世纪最引人注目无线通信技术之一通过增加基站天线数大幅度提高系统频谱效率和能量效率，是5G发展过程中不可或缺的一环。

2 MIMO的概念和发展历程

2.1 MIMO的概念

MIMO是一种以通信系统可以利用天线独立收发信号为基础的抽象数学模型。该技术于1908年问世，利用多天线传输来抑制信道衰落，显著提高能量效率和降低误码率[6]。不同于最原始的SISO（Single-Input Single-Output）系统MIMO系统根据收发端天线数目的不同可分为以下两类，SIMO（Single-Input Multiple-Output）系统和MISO（Multiple-Input Single-Output）系统[7]。

2.2 MIMO的发展历程

MIMO系统在发展过程中经过研究人员的努力不断完善，从无到有，从简单到复杂，从低效到高效。在设备容量和利用效率等方面都体现了质的飞跃。MIMO技术的发展历程主要分为单用户MIMO技术、多用户MIMO技术和大规模MIMO技术三个阶段[5]。

2.2.1 单用户MIMO技术

单用户MIMO技術是一种点对点通信，在发送端和接收端用户利用多条天线通信，但存在用户互相干扰的问题，因为若发送端和接收端的多条天线之间互不相关，那么相邻之间的天线的距离就要大于载波波长。实际上由于设备物理尺寸的限制，实现天线之间互不干扰比较困难。这极大地限制了用户实际增益，因此人们开始发展多用户MIMO技术。

2.2.2 多用户MIMO技术

多用户MIMO技术就是相较于单用户MIMO技术是增加了中间连接点，就是基站。一个基站同时服务多个移动终端，而基站之间利用天线和多个用户进行通信。在消除干扰方面多用户MIMO技术有明显的区域区分，消除小区区域内的干扰可以通过时分、频分、码分的方法，但消除各小区之间的干扰则要用更复杂的技术，因此限制了频率效率和功率效率的进一步提高，这加速了大规模MIMO的出现。

2.2.3 大规模MIMO技术

大规模MIMO技术最早由贝尔实验室于2010年提出。大规模 MIMO 无线通信在基站的有效区域内配备数百十根以上天线，相较 4G 无线通信系统中的 4（或 8）根天线数成倍增加，这些天线以大规模阵列的形式集中放置[3]。大规模MIMO技术通过增加基站天线数在多小区中对多个单天线用户进行传输，充分利用无线资源，显著提高频谱效率，是现在发展移动无线通信的重要技术。

3 大规模MIMO技术的技术分析

在大规模MIMO技术中，存在一些主要技术包括信道估计，信道模型与系统性能分析，天线技术和多用户传输技术[2]。

3.1 信道估计

进行相关检测、自适应传输、均衡的前提条件是信道估计，它是大规模MIMO技术的先行条件。在现实生活中由于噪音的随机性和人群的流动性，信道收到的干扰有很大的随机性，为了让大规模 MIMO 技术贴近人们的生活；符合实际的情况；发挥最大的优势，我们需要对信道进行估计。目前，针对大规模MIMO技术比较成熟的、运用较广的的信道估计技术包括：基于导频的信道估计、盲信道估计和基于两者的半盲信道估计[1]。基于导频的线性信道估计算法的原理是通过将已知导频信号合理的加入到传输信号，引入冗余，对信道进行估计，具有较低的计算复杂度而且方便实现，适用于时变信道[1]。但是由于估计需要大量的导频信号，在传送过程中不能完全避免导频污染的影响。而盲信道估计算法原理则是基于信号数理特性来实现信道估计，没有用到导频，对用户进行区分，可以避免导频污染的影响。但是这种估算复杂度高，并不适用于实际工程。基于两者的半盲信道估计则是融合了前两种方法的优点，一定程度上的规避了缺点。

3.2 信道模型与系统性能分析

进一步无线通信系统设计的基础是信道模型与系统性能分析。在大规模MIMO无线通信中，通过成百十根的天线被装配在基站侧，传输信道的空间分辨率得到进一步提高。但需要注意的是，现今对MIMO的研究中经常把MIMO信道看做IID（独立同分布）信道来研究，这是一种理想状态，实际测量后发现并不能将信道等同于IID信道，而且大量的信道能量集中在有限的空间范围内，也会对分析结果造成影响[2]。所以需要大规模MIMO针对具体的环境进行实际测量，再进行建设符合实际情况的模型。

3.3 天线技术

在大规模MIMO系统中，需要为基站配置几十条甚至上百条的天线，所以天线的配置显得尤为重要，配置方式不同系统模型也会不同。一般情况下，天线配置方式可分为两大类：集中式大规模天线系统和分布式天线系统[1]。所谓集中式就是所有天线都被集中分配在一个基站上；分布式则是天线分布在多个不同的节点上。这两种方式有相同的地方就是通过增加天线的个数深度挖掘空间中的无线资源使得通信的效率和容量得到显著改善。当天线数量增大到一定程度，对信号处理操作和计算复杂度要求就不会太高，线性编码和检测器会以趋于最优化的性能进行工作。而且波束可以集中在很窄的区间内来降低其它信号的干扰，降低基站的密度，节约空间资源。endprint

3.4 多用戶传输技术

由于实际技术的不完善用户端和基站侧无法获取完整的信息瞬时状态，当前的 MIMO系统传输方案大多是由贝尔实验室提出的初步方案[4]。即基站侧通过TDD（Time Division Duplexing）系统、链路正交导频获得信道参数估计值和上下行链路互易性[2]。但是这种方法也存在缺陷，把信道估计值当做真实值进行上下行传输，无法保证传输的鲁棒性，因为单个有用户仅配备单根天线，频谱效率会因为系统的用户过少而降低[2]；除此之外，大规模MIMO还面临以下困难：通信系统进行信号检测、预编码传输、高维矩阵求运算的难度高；对FDD（Frequency Division Duplexing）系统有适用性要求，用户获得信道信息难[2]。因此大规模MIMO技术还是面临着很严峻的挑战。

4 大规模MIMO对发展5G的重要性

在5G无线通信领域中，大规模MIMO无线通信利用多天线收发信息使功率利用率、系统频谱利用率得到显著提高，为5G达到更快、更稳定的目标打下坚实的基础，是实现5G无线通信的必不可少的一环。大规模MIMO的实现可以节约大量的空间资源，提高资源利用率，从而为进一步发展无线通信做好准备。

5 结语

伴随着5G势不可挡的脚步，大规模MIMO技术受到无线通信研究人员的青睐，为新一代的通信系统打开大门。但不可否认的是，当前的大规模MIMO技术还处于起步阶段，亟待解决的问题还有很多。部分功能还处于理论阶段，需要我们不断探索这广阔的发展空间。

参考文献

[1]傅莉.大规模MIMO技术及应用[J].福建电脑，2017，（03）.

[2]庞雪莲.5G中大规模MIMO技术研究[J].电子世界，2015，（14）.

[3]杨中豪，王琼，乔宽.面向5G的大规模MIMO技术研究进展[J].广东通信技术，2015，（05）.

[4]尤力，高西奇.大规模MIMO无线通信关键技术[J].中兴通信技术，2014，（02）.

[5]邵斌.FD-MIMO系统关键技术研究[D].北京邮电大学，2015.

[6]李艳苹.正交频分复用系统时频同步算法的研究[D].哈尔滨理工大学，2012.

[7]张温姝.多载波频偏下分布式空时编码系统的符号检测和容量问题研究[D].2007.

Abstract：With the popularity of 4G in daily life， the concept of 5G gradually appeared in the horizon， as the next generation of cellular data communication， 5G will have more powerful data throughput and higher energy efficiency， allowing users to experience faster Internet experience. Massive MIMO technology is an integral part of the implementation of 5G system. This paper first introduces the concept and development of MIMO， then analyzes the MIMO technology， finally discusses the importance of the development of MIMO 5G.

Key Words：5G； MIMO； channel estimation； antenna technology； multiuser transmission technologyendprint