李曉宇，王 磊，羅海港，李超杰

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司第四分公司，鄭州 450000）

5G的主要需求之一是需要支持比LTE網(wǎng)絡(luò)約1000倍的更大系統(tǒng)容量，但是要與目前蜂窩系統(tǒng)有相9似的成本和能量損耗。為了滿足5G的高容量需求和高功率效率，就需要從以下三方面考慮：更寬的頻譜、區(qū)域內(nèi)更多基站、提升小區(qū)頻譜效率。大規(guī)模多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)是5G通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，能夠深度挖掘空間維度資源，大大提高了每小區(qū)的頻譜效率，同時，大規(guī)模MIMO能夠?qū)⒉ㄊ性诤苷姆秶鷥?nèi)，并且大幅降低發(fā)射功率，進(jìn)而降低干擾，提升功率效率。

本文從首先從大規(guī)模MIMO技術(shù)的原理及優(yōu)勢進(jìn)行了分析，然后介紹了大規(guī)模MIMO技術(shù)面臨的困難，最后對其典型應(yīng)用場景及對5G系統(tǒng)的影響進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 大規(guī)模MIMO技術(shù)

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)通常被定義為至少在無線通信鏈路的一側(cè)（通常在基站側(cè)）配置數(shù)十乃至數(shù)百根可單獨(dú)控制的天線元件系統(tǒng)。在基站側(cè)的大規(guī)模MIMO的使用示例如圖1所示：

圖1 具有大規(guī)模MIMO基站的多用戶和單用戶

大規(guī)模MIMO除了用于接入鏈路之外，還可以再多Gb/s回程鏈路方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，這些回程鏈路可以部署再頻分以及時分雙工系統(tǒng)中的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)之間。

1.1 大規(guī)模MIMO技術(shù)原理

大規(guī)模MIMO網(wǎng)絡(luò)利用天線提供的空間自由度（DoF），通過從各天線點(diǎn)發(fā)射相同的信號，且給每個天線施加不同的相移，可以在相同的時頻資源上為多個用戶復(fù)用信息，將輻射的信號聚焦到目的用戶，最小化小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間干擾。

相關(guān)研究已經(jīng)表明，當(dāng)小區(qū)的基站天線數(shù)趨于無窮時，不同用戶之間的信道將趨于正交，加性高斯白噪聲、小尺度衰落等負(fù)面影響可全都忽略不計，單用戶吞吐量僅受限于其他小區(qū)中采用相同導(dǎo)頻序列的用戶的干擾，系統(tǒng)吞吐量較傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)提升1個數(shù)量級以上。

MIMO系統(tǒng)框圖如圖2所示，包含N個發(fā)射天線，M個接收天線。其中，發(fā)射端信號s被分成N路子信息流進(jìn)行傳輸，并經(jīng)過調(diào)制和射頻前端處理后以相同頻率分別經(jīng)N副天線同時發(fā)射出去。通過無線信道的散射傳播，不同子信息流從不同路徑到達(dá)接收機(jī)，由M副天線接收，接收機(jī)采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)對各接收信號聯(lián)合處理，即可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)流。

圖2 MIMO系統(tǒng)框圖

發(fā)射和接收多天線系統(tǒng)是大規(guī)模MIMO無線系統(tǒng)的重要組成部分，其直接影響到MIMO信道的性能。因此，實(shí)現(xiàn)高性能的MIMO系統(tǒng)不僅依賴于多徑傳播的豐富度，還取決于多天線單元的合理設(shè)計。

1.2 大規(guī)模MIMO技術(shù)優(yōu)勢

大規(guī)模MIMO系統(tǒng)應(yīng)用了多天線技術(shù)，并且具有更多的發(fā)射天線和接收天線，有非常明顯的優(yōu)勢。下面從從香農(nóng)公式的角度驗證分析一下大規(guī)模天線技術(shù)的優(yōu)勢及增益來源。香農(nóng)公式如下：

（1）實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用：大規(guī)模天線技術(shù)從另一方面來講相當(dāng)于提高了香農(nóng)公式的變量B。由于大規(guī)模MIMO系統(tǒng)傳播信道的不相關(guān)性，多個數(shù)據(jù)流能夠通過相同時頻資源的不同空間傳播路徑進(jìn)行傳輸，因此，可以成數(shù)十倍的擴(kuò)展帶寬B，大幅提升了頻譜效率。

（2）提升信噪比：各組天線通過波速賦性技術(shù)能夠定向發(fā)射信號，提高信號強(qiáng)度，從而提高了香農(nóng)公式的S/N。信噪比的提升對于5G中的高頻段通信至關(guān)重要，能夠有效克服高頻段通信衰減較快問題，并且能夠大幅降低時延。

（3）降低發(fā)射功率，硬件成本降低：由于用戶信號是經(jīng)過多個發(fā)射天線的信號疊加而成，因此各天線單元僅需很小的的發(fā)射功率，有效減弱了網(wǎng)絡(luò)干擾問題。

2 大規(guī)模MIMO技術(shù)面臨挑戰(zhàn)

大規(guī)模天線技術(shù)作為5G的核心技術(shù)之一，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視，并且進(jìn)行了大量研究。但是仍然存在一些挑戰(zhàn)。其中，最大的挑戰(zhàn)在于在發(fā)射機(jī)側(cè)需要準(zhǔn)確的知道信道狀態(tài)信息（CSI）。原則上，可以通過從各天線元件發(fā)射的正交導(dǎo)頻信號（參考信號）以及從接收機(jī)到發(fā)射機(jī)反饋的空間信道信息來獲得CSI。但是該方法具有一些缺點(diǎn)：一是所需的CSI的導(dǎo)頻信號開銷隨著發(fā)射天線的數(shù)目呈線性增長。二是在發(fā)射機(jī)獲得CSI的的另一種方式是利用信道的互易性，而利用互易性的成本是其需要進(jìn)行陣列校準(zhǔn)以便考慮不同天線元件的發(fā)射和接收射頻鏈中的差異。三是在時變信道中，導(dǎo)頻傳輸、信道估計、信道反饋、波束成形器計算與實(shí)際波束形成的數(shù)據(jù)之間的延遲將會降低大規(guī)模MIMO的性能，而使用信道預(yù)測技術(shù)來減少這種延遲。

大規(guī)模MIMO的另一個挑戰(zhàn)是對多小區(qū)多層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的影響。其中一個問題是存在導(dǎo)頻污染的影響。相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)驗證了在多天線系統(tǒng)中分配給導(dǎo)頻信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間、頻率、碼、空間和功率資源之間存在一種權(quán)衡。但是在多小區(qū)多用戶大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，導(dǎo)頻數(shù)據(jù)資源分配權(quán)衡與導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)信號上的小區(qū)間干擾（也成為污染）的管理相互影響，因此就需要重新思考如何設(shè)計傳統(tǒng)系統(tǒng)中的導(dǎo)頻信號。

另外，由于天線陣列的大小，實(shí)踐中的小小區(qū)密集部署導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)中使用大規(guī)模MIMO比較困難。此問題已經(jīng)都得到了有效解決，一種方法是在宏基站側(cè)部署大規(guī)模MIMO，在宏小區(qū)和小小區(qū)之間同信道部署的情況下，利用空間自由度（DoF）降低宏小區(qū)和小小區(qū)之間的干擾；另一種方法是在小小區(qū)側(cè)部署大規(guī)模MIMO，特別是在高頻系統(tǒng)中，小天線尺寸允許根據(jù)實(shí)際部署大規(guī)模天線陣列。

針對以上大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)和問題，目前很多機(jī)構(gòu)還在不斷研究和改善不同的技術(shù)解決方案，希望充分釋放大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的優(yōu)勢，在5G中能夠有效的使用大規(guī)模MIMO技術(shù)。

3 大規(guī)模MIMO技術(shù)典型應(yīng)用場景

熱點(diǎn)場景：目前經(jīng)相關(guān)研究統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量的特點(diǎn)是在20%的熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)承載著70%以上的數(shù)據(jù)流量。例如商業(yè)中心、交通樞紐、大學(xué)校園、居民樓等都具有同樣的特點(diǎn)：人流密度大、話務(wù)負(fù)荷高、容量不足等。因此，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以依托自身優(yōu)勢提供較高的空間復(fù)用增益和較強(qiáng)的波束賦性能力，較好的改善和這些區(qū)域的高容量需求。

3D覆蓋場景：像高層建筑類場景，此類場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋一般情況比較差，且如何增強(qiáng)覆蓋也面臨很多挑戰(zhàn)。其一，若采用多個天線增強(qiáng)高層覆蓋面臨站點(diǎn)較難獲取的問題；其二、信號經(jīng)過穿透墻壁后會嚴(yán)重衰弱；其三、上行信號傳輸增加了建筑物中的小區(qū)間干擾。為了解決上述問題，大規(guī)模MIMO技術(shù)可以發(fā)揮自身特點(diǎn)，在垂直面采用大規(guī)模天線陣列、能夠明顯增強(qiáng)對高層建筑的覆蓋；同時采用波束賦性技術(shù)能夠彌補(bǔ)穿透墻壁帶來的高損耗；另外，還能夠靈活的按需求對波束寬度和方向進(jìn)行調(diào)整，降低小區(qū)間干擾，增強(qiáng)3D場景的覆蓋和容量。

4 大規(guī)模MIMO技術(shù)對5G系統(tǒng)的影響

大規(guī)模MIMO天線技術(shù)的應(yīng)用勢必會給5G系統(tǒng)帶來很大的影響。下面主要從天線單元數(shù)量、TDDFDD工作模式、天線頻段三方面簡單介紹一下其如何對5G系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

天線單元數(shù)量：MIMO系統(tǒng)的容量會隨收發(fā)兩端的天線的最小數(shù)量呈線性增長。原理上來講，收發(fā)兩端配置的天線數(shù)越多，傳播信道就會擁有更高的自由度，系統(tǒng)就會表現(xiàn)出更優(yōu)的性能、更高的可靠性和更大的系統(tǒng)容量。然而，由于其他物理條件限制，如信號處理方面的能源消耗、愈加復(fù)雜的硬件系統(tǒng)等，因此在實(shí)際中天線的數(shù)量也不能任意大。相關(guān)研究已經(jīng)驗證，在實(shí)際中，當(dāng)天線數(shù)量達(dá)到某一值時，系統(tǒng)容量會趨于穩(wěn)定。

TDD/FDD模式：目前5G系統(tǒng)的研究大部分是在TDD模式下進(jìn)行的，其與信道估計的開銷大小有一定關(guān)系。對于TDD系統(tǒng)，上下行傳輸使用相同的頻段，由于信道互易性特點(diǎn)，只需要對上行鏈路進(jìn)行信道估計即可。而對于FDD信道，上下行使用的不同頻段，CSI也不同，因此就需要對其分別進(jìn)行信道估計。然而若天線數(shù)量進(jìn)一步增加，下行信道估計會變的極其復(fù)雜。同時，業(yè)界已經(jīng)驗證當(dāng)在毫米波頻段，會大幅度降低信道估計的開銷。因此，后期有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO和FDD系統(tǒng)相結(jié)合。

天線頻段：5G系統(tǒng)采用的高頻段通信，帶寬較寬，能夠顯著提升系統(tǒng)的容量和頻譜效率。但是毫米波的傳播不遵循瑞利信道衰落模型，其更傾向于視距傳播和近視距傳播。另外，毫米波會導(dǎo)致更高的多普勒偏移。

5 結(jié)束語

鑒于大規(guī)模MIMO技術(shù)在5G系統(tǒng)中的重要性，本文對大規(guī)模MIMO技術(shù)從原理、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)、應(yīng)用場景、對5G系統(tǒng)的影響等幾個方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析總結(jié)，希望對5G的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃有一定的參考。