大规模MIMO 无线通信关键技术

薛国浪 张金才 福建省邮电规划设计院有限公司

引言

目前，无限通信技术取得了显著的发展成果，虽然4G 通信的速率已经非常高，但是为了持续完善信号传输的品质，降低信息传输中的能耗，移动通信领域已经逐渐推出了5G 的通信技术。这一发展目标的实现需要以大规模MIMO 技术作为支持，该技术消除了传统MIMO 技术中的很多问题，配置更多的天线来改善信号传输的品质，深入挖掘空间维度的资源，提高通信系统的频谱，消除信息传输中的各种复杂性，虽然该技术目前仍旧在探索发展中，但是已经成为未来通信系统设计和发展的趋势。

一、大规模MIMO 技术

作为一种高速率的无线通信手段，MIMO 技术始终处于持续发展的状态，具体是指利用数个发射和接受天线，在不改变发射功率、不扩展频谱资源的前提下，就实现通信品质的提升。因为该技术具有极大的实践优势，所以在市场需求的激励下获得了高速发展，虽然4G 技术已经具备非常高效的传输速率，但仍旧无法适应当前社会对于无线通信的需求，这是因为以往的MIMO 技术能耗过大，而且需要复杂的计算过程，存在延时问题等。所以，在这样的背景下，逐渐发展出了大规模的MINO 技术，通过增加天线数目实现更高效畅通的无线通信过程，只是需要改造基站状况，并不需要对智能终端进行更新，用最小的成本来扩展系统的频带利用效率。总体而言，大规模MIMO 技术的优势如下：

第一，以往的MIMO 技术中，信号覆盖的面积较为有限，以8 天线为例，信号往往只能水平方向覆盖，而无法扩展到垂直的方向，相对于所有的信号呈平面状发射，而在大规模MIMO 技术中，不仅可以水平发射信号，还引入了垂直的信号发射维度，整个信号的传输状态类似于电磁波束，极大地扩展了网络容量。

第二，因为天线的数量增加，在信号发射中会产生信号叠加的情况，而每个单独天线所需的功率非常小，不必通过功率放大器，有效地降低了硬件设备的成本。

第三，与有线的通信传输过程不同，无线信号的传输路径较为复杂，传输信道具有一定的随机性，可能会出现信号延时的情况，但是在大规模MIMO 技术的支持下，信道的品质非常稳定，简化了信号传输中的复杂性，抗干扰能力增强，避免了延时情况的发生。

二、大规模MIMO 无限通信的重要技术

（一）多用户传输技术

这是MIMO 技术持续更新和发展的保障，也是当前所面临的主要技术挑战，为了实现高效的传输过程，就需要提升基站与智能移动端获得信道信息的水平，这直接决定着通信过程中多用户传输技术的应用。就当前的实际情况中，对于基站或者用户端而言，基本都无法及时获取全面的信号，很多系统中都在使用贝尔实验室提供的方式，来设计信道传输的形式，也就是通过TDD系统来完成传输过程，该系统具有明显的优势特征，比如上下行信道的互易。需要先认定从信道中获得的参数估计值，将其作为真实数值，同时据此来处理相关业务，比如接受上行的信息，同时完成信息的传输的过程。在这样传输方案中，基站很容易就获得信道的状态信息，但是随着用户端的持续增加，整个处理过程变的非常复杂，该方案几乎不再适用，所以该问题逐渐成为技术瓶颈，还在持续探索和研究中。

（二）信道估计

无限信道是影响通信品质的关键因素，受各种遮挡物和外界气候的影响，在信号传输中容易出现慢衰落的问题，也就是说，信号的传输路径存在复杂性，具有不可预见的特性。为了保障信道的品质，就需要进行信道估计，通过信道的各项信息来估计信道的模型参数，进而调整信号信息，这是衡量通信系统品质关键因素。目前常用的信道估计方式有三种：一是盲估计，也就是利用传输信号的一些数理特性来完成估计过程，不需要借助导频，实现对用户的划分，有效处理导频污染的情况。二是导频的方式，主要是引入冗余，然后在传输信号的过程中融入导频，这个信道估计的方式不需要复杂的计算过程，比较容易操作和实现，是经常被使用的估计方法。但是在这样的估计过程中，一般需要很多导频信号，也就存在导频污染的情况，估计的结果可能会受到影响。三是半盲估计，这是基于上述两种估计之间的一种方式。

（三）天线技术

天线数量大幅度增加是该技术最明显的变化，根据不同的通信需求，可以给基站增加数十个甚至上百个天线，进而形成相异的系统模式。总体而言，能够将其划分为两种类型：一是集中式，即在某个基站上集中配置大量天线，二是分布式，即将天线分别配置于各个节点。无论采用何种方式来配置天线，都是为了获得更大的空间维度，进而提升通信效率：

第一，将天线的数目保持在某个标准，在处理信号方面比较便利，而且不需要复杂的计算过程，相关仪器就会以最优质的性能运行。

第二，通过合理的天线配置，让信号在传输中呈现为电磁波束，这样就会降低信号传输中的复杂性，避免复杂路径的干扰，同时，不需要扩展基站，只是不断扩展空间维度，有利于提升信号的分辨率，而且传输的效率和频率都极大提升。

第三，相比较于之前的MIMO 技术，由于天线的数目大规模增加，各个天线的功率降低，整个系统的能效有所保障。

（四）信道模型和系统性能

要想充分发挥大规模MIMO 技术的价值，就需要建立完善的通信传输系统，而在通信系统构建的过程中，系统性能以及信号传输的信道模型是必须要考虑的基础问题。在新型MIMO 技术的支持下，基站配置了大量的天线，形成了阵列型的模式，极大地扩展了信号传输的信道空间，但是在通信系统的设计中也面临全新的问题，目前仍旧处于实践研究的阶段，关于信道的研究发现较少。另外，在系统设计中，必须重视频谱和效率因素，为了确保系统设计的性能，需要构建完善的信道模型，详细解释信道的相关特性，估计系统的频谱和功率效率等因素，为系统设计提供数据参考。目前，在系统设计中面临的主要问题就是导频污染，有研究发现，可以通过基站联合实现编码统计工作，有利于处理导频污染的情况。

三、结束语

综上所述，在传统MIMO 技术的基础上，通过增加基站的天线数量，深入挖掘信息传输空间维度的资源，已经成为通信技术发展的必然趋势，由于不需要增加宽带与功率，而且通过天线数目的扩展，降低了单个天线的功率，也就节约了一定的硬件成本，所以该技术非常符合节能理念。同时，在大规模MIMO 技术中，信道的品质较好，信号传输过程中的复杂性降低，遭受外界客观环境干扰的情况减少，信号传输的品质有所保障，基本不会发生延时的情况。虽然MIMO 技术的发展面临一定瓶颈，但是在持续的研究中必然会发现最佳的解决之道，逐渐攻破技术方面的局限，充分发挥大规模MIMO 技术的价值，促进5G 时代的来临。