大規(guī)模MIMO關(guān)鍵技術(shù)綜述

第五代移動通信開展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)摘要：隨著移動通信的快速開展，頻譜資源變得越來越緊缺，如何更加有效的利用頻譜資源成為了5G亟待解決的問題。文章首先介紹了5G技術(shù)的需求及面臨的挑戰(zhàn)，然后簡述了5G系統(tǒng)的需要用到的關(guān)鍵技術(shù)，對未來無線通信系統(tǒng)的幾種潛在的關(guān)鍵通信技術(shù)，如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、NOMA技術(shù)、毫米波通信大規(guī)模多輸入多輸出〔MIMO〕通信，給出了簡單的論述與討論。最后重點介紹了大規(guī)模MIMO的工作原理和需要克服的技術(shù)難點，最后分析了其應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：5G；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；NOMA；毫米波通信；大規(guī)模MIMO1第五代移動通信技術(shù)〔5G〕移動通信已經(jīng)深刻地改變了人們的生活，雖然，目前4G還沒有在全球范圍內(nèi)完全運用，但人們對更高性能移動通信的追求從未停止，在技術(shù)和市場的雙重驅(qū)動下，業(yè)界啟動了5G技術(shù)的研究。在2023年底由歐盟啟動的“面向2023信息社會的移動與無線通信〔METIS〕〞課題，方案于2023年實現(xiàn)商業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)。韓國于2023年宣布成功研發(fā)出NoLA〔NomadicLocalAreaWirelessAccess〕技術(shù)，該技術(shù)無線下載速度可以到達3.6G/s，可作為5G網(wǎng)絡(luò)的根底技術(shù)。中國于2023年成立了IMT-2023推進組，作為5G推進工作的平臺，推進組旨在組織國內(nèi)各方力量、積極開展國際合作，共同推動5G國際標準開展。這標志著全球已開始對5G技術(shù)的研發(fā)。雖然目前業(yè)界尚未對5G形成統(tǒng)一、完整的認識，但是在一些方面已經(jīng)有相對明確的觀點和看法。例如：就時間范疇看，業(yè)內(nèi)多數(shù)觀點認為，5G是一個面向信息社會需求的無線移動通信系統(tǒng)；5G開展的另一個目標是滿足未來1000倍及以上的流量增長需求及10Gbit/s的峰值速率和100Mbit/s的用戶速率體驗等；5G還需要可以持續(xù)的降低網(wǎng)絡(luò)本錢和能耗、拓展業(yè)務(wù)的支持能力及提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；同時，5G不單單只是在速度和吞度量上有大的提高和飛躍，更多的是建立一個更為完善的網(wǎng)絡(luò)，讓用戶能全方位的體驗科技帶來的進步，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)一體化，各類設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且網(wǎng)絡(luò)具有更強的自我檢測、自我修復(fù)能力，大大地節(jié)省人力資源，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和適應(yīng)性。比方，通過終端可以與家里的高清電視進行通信，通過投影儀可以直接下載網(wǎng)絡(luò)高清影響并進行播放，這些更為人性化的功能會讓用戶更好地享受科技進步對日常生活質(zhì)量帶來的提高和便利。25G需求及面臨的挑戰(zhàn)面向2023年以后人類信息社會需求的5G寬帶移動通信系統(tǒng)將成為一個多業(yè)務(wù)、多技術(shù)融合的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過技術(shù)的演進和創(chuàng)新，滿足未來廣泛的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)及連接數(shù)的開展需求，并進一步提升用戶的體驗。5G將滿足人們在居住、工作、休閑和交通等領(lǐng)域的多樣化業(yè)務(wù)需求，即便在密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、地鐵、高速路、高鐵和廣域覆蓋等具有超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動性特征的場景，也可以為用戶提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗。與此同時，5G還將滲透到物聯(lián)網(wǎng)及各種行業(yè)領(lǐng)域，與工業(yè)設(shè)施、醫(yī)療儀器、交通工具等深度融合，有效滿足工業(yè)、醫(yī)療、交通等垂直行業(yè)的多樣化業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)〞。移動互聯(lián)網(wǎng)的進一步開展將帶來未來移動流量超千倍增長，推動移動通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的新一輪變革。物聯(lián)網(wǎng)擴展了移動通信的效勞范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物智能互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛開展給移動通信帶來新挑戰(zhàn)和要求，這些新的需求，4G及其前代移動通信技術(shù)都難以滿足。表15G主要技術(shù)場景及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)場景關(guān)鍵挑戰(zhàn)連續(xù)廣域覆蓋100Mbps用戶體驗速率熱點高容量用戶體驗速率：1Gbps峰值速率：數(shù)10Gbps流量密度：數(shù)低功耗、大連接連接數(shù)密度：超低功耗，超低本錢低時延、高可靠空口時延：1ms端到端時延：ms量級可靠性：接近100%表1概括了5G的應(yīng)用場景及面臨的挑戰(zhàn)。根據(jù)預(yù)測，未來全球移動通信網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備總量將到達千億規(guī)模，移動數(shù)據(jù)流量將出現(xiàn)爆炸式增長。預(yù)計到2023年，全球移動終端數(shù)量將超過100億〔其中我國超過20億〕。全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)也將快速增長，2023年將接近全球人口規(guī)模，到達70億〔其中我國接近15億〕。2030年，全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將接近1000億〔其中我國超過200億〕。在各類終端中，智能對流量奉獻最大，物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)量雖大但流量占比較低。5G將解決多樣化應(yīng)用場景下差異化性能指標帶來的挑戰(zhàn)，不同應(yīng)用場景面臨的性能挑戰(zhàn)有所不同，用戶的體驗速率、流量密度、時延、能效和連接數(shù)都可能成為不同場景的挑戰(zhàn)性指標。從移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用場景、業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，可歸納出連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個5G主要技術(shù)場景。從技術(shù)特征、標準演進和產(chǎn)業(yè)開展角度分析，5G存在新空口和4G演進空口兩條技術(shù)路線?！?〕新空口路線主要面向新場景和新頻段進行全新的空口設(shè)計，不考慮與4G框架的兼容，通過新的技術(shù)方案設(shè)計和引入創(chuàng)新技術(shù)來滿足4G演進路線無法滿足的業(yè)務(wù)需求及挑戰(zhàn),特別是各種物聯(lián)網(wǎng)場景及高頻段需求。〔2〕4G演進路線通過在現(xiàn)有4G框架的根底上引入增強型新技術(shù)，在保證兼容性的同時實現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)性能的進一步提升，在一定程度上滿足5G場景與業(yè)務(wù)需求。35G關(guān)鍵技術(shù)5G移動通信標志性的關(guān)鍵技術(shù)主要表達在超高效能的無線傳輸技術(shù)和高密度無線網(wǎng)絡(luò)〔highdensitywirelessnetwork〕技術(shù)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)千倍的流量提升，需要更高的站點密度、更大的帶寬、更高的頻譜效率，對應(yīng)的技術(shù)分別是超密異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、毫米波通信和大規(guī)模MIMO技術(shù)，但這三種帶來速率提升的技術(shù)仍面臨許多亟待解決的問題。此外，根底的信號波形的設(shè)計也需要考慮新的需求，對原有的OFDM〔正交頻分復(fù)用〕技術(shù)進行改良。網(wǎng)絡(luò)側(cè)也需要能夠兼容多種標準。下面對5G系統(tǒng)中幾種可能用到的關(guān)鍵技術(shù)作簡要介紹。3.1異構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)隨著個人和行業(yè)的移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速開展，移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將發(fā)生重要變化，未來第五代移動通信系統(tǒng)不再是宏基站覆蓋下、面向簡單的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)語音業(yè)務(wù)、簡單的短信業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)，即不能再用某項業(yè)務(wù)能力或者某個典型技術(shù)特征來簡單定義，而是多樣化的異構(gòu)密集分布網(wǎng)絡(luò)節(jié)點覆蓋下、面向各種效勞需求的多業(yè)務(wù)、多技術(shù)融合的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如研究者們通常所稱呼的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等。傳統(tǒng)的基于信干噪比或者接收信號強度的接入節(jié)點選擇機制將不再適用于多樣化通信節(jié)點的異構(gòu)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。為了實現(xiàn)負載轉(zhuǎn)移，并有效提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量及彌補宏基站覆蓋的黑洞，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入了各種不同發(fā)射功率的接入節(jié)點。為了能夠發(fā)揮這些接入節(jié)點的功能，系統(tǒng)需要引入新穎的接收節(jié)點選擇機制。在當(dāng)前面向第五代移動通信系統(tǒng)的理論與技術(shù)研究中，有關(guān)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)容至少包括小小區(qū)〔SC〕部署和D2D通信這兩大技術(shù)。前者是指利用小而精致基站的低功耗和低花費特點，將它們部署在現(xiàn)有的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)下以實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)容量的提升和滿足更高的效勞需求；后者是為應(yīng)對局部區(qū)域突發(fā)性的通信需求，蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的一些物理位置相近的移動裝置被賦予相互之間通過直達鏈路傳遞數(shù)據(jù)信號的能力，這種通信方式被稱為D2D通信。3.2毫米波通信利用毫米波段頻譜進行無線通信是解決微波頻段的頻譜資源稀缺的有效方法之一。通常，毫米波是指頻率在30GHz和300GHz之間、波長在10mm至1mm之間的電磁波。隨著無線電通信技術(shù)的開展，毫米波通信將顯示出越來越多的優(yōu)點。在設(shè)計毫米波通信系統(tǒng)時，由于大氣的衰減，需要考慮電磁波在大氣中的傳播特性，在毫米波頻段，由大氣中的水蒸氣和氧分子引起的衰減與頻率有關(guān)，因此可以實現(xiàn)對無線電波傳播路徑和大氣層進行遙測的高效頻譜分析。毫米波的主要缺點是在大氣層中傳播時其頻率選擇性吸收比低頻段的無線電波更為嚴重，因此毫米波更適用于短距離無線通信系統(tǒng)。3.3非正交接入技術(shù)空中接口承載用戶信息的無線資源主要有，頻域、時域、空域、碼域和功率域，前3種有子載波正交、接入循環(huán)前綴和適當(dāng)空間距離等成熟技術(shù)保證多用戶多址接入的獨立性，而碼域和功率域在多用戶信息區(qū)分方面只能通過串行干擾消除〔SIC〕技術(shù)保證。由于碼域和功率域無法保證疊加用戶的正交，在移動通信系統(tǒng)中用到后兩種資源的都叫非正交多址接入技術(shù)。非正交多址接入是一種多資源混用技術(shù)，目前業(yè)界提出的技術(shù)方案主要包括基于多維調(diào)制和稀疏碼擴頻的稀疏碼分多址〔SCMA〕技術(shù)、基于復(fù)數(shù)多元碼及增強疊加編碼的多用戶共享接入〔MUSA〕技術(shù)、基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址〔PDMA〕技術(shù)以及基于功率疊加的非正交多址〔NOMA〕技術(shù)。NOMA是典型的僅有功率域應(yīng)用的非正交多址接入技術(shù)，也是所有非正交多址接入技術(shù)中最簡單的一種。4大規(guī)模MIMO技術(shù)2023年，貝爾實驗室的ThomasL.Marzetta提出了大規(guī)模MIMO〔largescaleMIMO〕的概念。大規(guī)模MIMO技術(shù)是指在基站端配置遠多于現(xiàn)有系統(tǒng)中天線數(shù)假設(shè)干數(shù)量級的大規(guī)模天線陣列來同時效勞于多個用戶〔通常認為天線數(shù)為上百甚至幾百根，而同時效勞用戶數(shù)為天線數(shù)的1/10左右，這些天線可分散在小區(qū)內(nèi)，或以大規(guī)模天線陣列方式集中放置。該技術(shù)有一些傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)所無法比較的物理特性和性能優(yōu)勢。主要有：〔1〕隨著天線數(shù)的急劇增長，不同用戶之間的信道將呈現(xiàn)出漸進正交特性，用戶間干擾可以得到有效的甚至完全的消除，從而大大提升系統(tǒng)總?cè)萘?；?〕基站天線數(shù)的增加，使得信道快衰落和熱噪聲將被有效地平均，也即信道硬化作用，從而以極大概率防止了用戶陷于深衰落，大大縮短了空中接口的等待延遲，簡化了調(diào)度策略；〔3〕大量天線的使用，使得波束能量可以聚焦對準到很小的空間區(qū)域，極大提升了空間分辨率；〔4〕大量額外的自由度，可以用于發(fā)射信號波束賦形，甚至于采用恒定包絡(luò)信號，從而有效降低發(fā)射信號的峰均比，從而使得射頻前端可以采用低線性度、低本錢和低功耗的功放，大大降低系統(tǒng)部署本錢；〔5〕巨量天線的使用，使得陣列增益大大增加，從而有效地降低發(fā)射端的功率消耗，使得系統(tǒng)總能效能夠提升多個數(shù)量級。雖然基于大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術(shù)將有可能使頻譜效率和功率效率在4G的根底上再提升一個量級，但是該項技術(shù)在走向?qū)嵱没倪^程中，需要解決的研究課題包括檢測算法、信道估計、同步、預(yù)編碼算法、導(dǎo)頻污染、互易校準等。4.1大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的機遇〔1〕信道硬化隨機矩陣理論中的Marchenko-Pasture定理說明：當(dāng)矩陣信道的每個元素都獨立同分布于零均值，方差為的任意分布時，隨著其行數(shù)和列數(shù)趨于無窮，即，且兩者比值趨于常數(shù)〔〕，矩陣的特征值趨近于確定分布。將Marchenko-Pasture定理運用到MIMO信道中，隨著發(fā)射天線數(shù)和接收天線數(shù)變大，矩陣的特征值趨近于確定分布，即所謂的信道硬化。如圖1所示，隨著天線數(shù)的增加，矩陣的對角線上元素比非對角線元素越來越大。并且，該矩陣對角元收斂到N，非對角元收斂到0，如圖2所示。利用上述信道硬化特性，當(dāng)天線數(shù)趨于無窮時，接收端利用簡單的匹配濾波便可以完全消除干擾，即式中，為接收信號，為發(fā)送信號，為噪聲干擾。另外，信道硬化條件也能降低其他檢測算法的復(fù)雜度。圖1矩陣對應(yīng)的信道硬化現(xiàn)象圖2矩陣中元素的收斂〔2〕漸進利好傳播量化信道傳播的一種有效方法是觀察信道矩陣的最小特征值和最大特征值之間的擴散程度。相比于常規(guī)MIMO系統(tǒng)，MassiveMIMO系統(tǒng)對應(yīng)的特征值分布趨于確定性分布，其累計分布函數(shù)呈現(xiàn)兩大特征：特征值的分布沒有明顯的拖尾；最小特征值和最大特征值之間的擴散程度遠小于常規(guī)MIMO系統(tǒng)。因此，MassiveMIMO的信道為漸近利好傳播?！?〕頻譜效率和能量效率對于多用戶MassiveMIMO系統(tǒng)，用戶數(shù)為,在接收端完全信道狀態(tài)信息〔perfectCSI,P_CSI〕的條件下，可以同時獲得功率增益和復(fù)用增益，即每個用戶的功率降低倍的同時將頻譜效率提升倍。在接收端不完全信道狀態(tài)信息〔imperfectCSI,IP_CSI〕的條件下，可以同時獲得功率增益和復(fù)用增益。圖3顯示了基站端天線數(shù)時的頻譜效率和能量效率。頻譜效率隨著發(fā)射功率單調(diào)遞增，而能量效率隨著發(fā)射功率的增加會出現(xiàn)峰值。在實際系統(tǒng)中，當(dāng)需要優(yōu)化能量效率時，需要同時考慮如下因素：基站端天線數(shù)、用戶數(shù)、鏈路能耗以及導(dǎo)頻分配。圖3基站端天線數(shù)為100時的能量效率和頻譜效率4.2大規(guī)模MIMO面臨的問題大規(guī)模MIMO系統(tǒng)存在的主要問題有，由于理論建模和實測模型工作較少，還沒有被廣泛認可的信道模型；由于需要利用信道互易性減少信道狀態(tài)信息獲取的開銷，目前的傳輸方案大都假設(shè)采用TDD系統(tǒng)，用戶都是單天線的，并且其數(shù)量遠小于基站天線數(shù)量；導(dǎo)頻數(shù)量隨用戶數(shù)量線性增加，開銷較大；信號檢測和預(yù)編碼都需要高維矩陣運算，復(fù)雜度高；并且由于需要利用上下行信道的互易性，難以適應(yīng)高速移動場景和FDD〔frequencydivisionduplexing〕系統(tǒng)；在分析信道容量及傳輸方案的性能時，大都假設(shè)獨立同分布信道，從而認為導(dǎo)頻污染是大規(guī)模MIMO的瓶頸問題，使得分析結(jié)果存在明顯的局限性等等。在無線通信系統(tǒng)中，信道的相干時間限制了正交導(dǎo)頻的數(shù)量。因此，在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，不同小區(qū)之間會存在導(dǎo)頻復(fù)用，而由此產(chǎn)生的干擾現(xiàn)象稱為導(dǎo)頻污染〔pilotcontamination〕。隨著天線數(shù)的增加，加性噪聲和小尺度衰落的影響可以忽略不計。且即使增加導(dǎo)頻的功率，也不會降低導(dǎo)頻污染的程度。因此，導(dǎo)頻污染是限制MassiveMIMO系統(tǒng)性能的決定性因素。導(dǎo)頻污染問題的潛在解決措施有：信道盲估計；不同小區(qū)優(yōu)化導(dǎo)頻分配；導(dǎo)頻污染預(yù)編碼。5總結(jié)大規(guī)模MIMO技術(shù)能夠顯著提高無線接入系統(tǒng)的信道容量、頻譜效率、能量效率等。然而，其理論上的性能增益往往建立在對無線信道的理想化假設(shè)上，目前尚不能通過實際測量和建模充分證明其假設(shè)的正確性。此外，盡管大規(guī)模MIMO已得到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但目前仍缺乏實際應(yīng)用。未來研究需要關(guān)注以下幾個方面：:(1)為實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，大規(guī)模MIMO技術(shù)對硬件復(fù)雜度的要求更高，對功率的消耗更大。因此，降低大規(guī)模MIMO發(fā)射功率將十分必要。(2)為了增加每個大規(guī)模MIMO基站效勞用戶的數(shù)量，必須研究導(dǎo)頻污染消除等先進技術(shù)。(3)迫切需要利用更加先進且性價比更高的非線性預(yù)編碼器，尤其是在M值很大的情況下。參考文獻[1]竇笠，孫震強，李艷芬．5G愿景和需求[J]．電信技術(shù)，2023(12):8-11[2]SoldaniD,ManzaliniA.Horizon2023andBeyond:Onthe5GOperatingSystemforaTrueDigitalSociety[J].IEEEVehicularTechnologyMagazine,2023,10(1):32-42.[3]姜大潔，何麗峰，劉宇超．5G：趨勢、挑戰(zhàn)和愿景[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2023(9):20-26[4]CavalcanteRLG,StańczakS,SchubertM,etal.TowardEnergy-Efficient5GWirelessCommunicationsTechnologies[J].EprintArxiv,2023.[5]姚岳．第五代移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)展望[J]．電信技術(shù)，2023(1):18-21.[6]LarssonE,EdforsO,TufvessonF,etal.MassiveMIMOforNextGenerationWirelessSystems[J].IEEECommunicationsMagazine,2023,52(2):186-195.[7]GaoX,EdforsO,TufvessonF,etal.MassiveMIMOinRealPropagationEnvironments:DoAllAntennasContributeEqually?[J].IEEETransactionsonCommunications,2023,63(11):1.[8]畢奇，梁林，楊姍等．面向5G的非正交多址接入技術(shù)[J]．電信科學(xué)，2023,31(5):14-21.[9]張長青．面向5G的非正交多址接入技術(shù)(NOMA)淺析[J]．郵電設(shè)計技術(shù)，2023(11):49-53.[10]康紹莉，戴曉明．面向5G的PDMA圖樣分割多址接入技術(shù)［J］．電信網(wǎng)技術(shù)，2023〔5〕：43-47.[11]Saito,Y.Kishiyama,Y.;Benjebbour,A;Nakamura,T;AnxinLi;Higuchi,K.“Non-OrthogonalMultipleAccess(NOMA)forCellularFutureRadioAccess〞.VehicularTechnologyConference(VTCSpring),2023IEEE77th.pp.1–5.June2023.[12]Benjebbour,A.;Saito,Y.;Kishiyama,Y.;AnxinLi;Harada,A.;Nakam