大規(guī)模MIMO課程課件

大

規(guī)

模目

錄一

、MIMO的

概

念

及

原

理二、

MIM

O

的發(fā)展歷史及應(yīng)用三、

大規(guī)模MIMO

的概念四、

大規(guī)模MIM

O的研究方向五

、大規(guī)

模MIMO的

優(yōu)

點(diǎn)六

、

大

規(guī)

模MIMO的

缺

陷七、大規(guī)模MIMO

的展望

A①

的

概

念MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技

術(shù)

，

即多

入多出技術(shù)，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個(gè)發(fā)射天線

和接收天線，使信號(hào)通過(guò)發(fā)射端與接收端的多個(gè)天線傳送

和接收，從而改善通信質(zhì)量?！?/p>

它能充分利用空間資源，通過(guò)多個(gè)天線實(shí)現(xiàn)多發(fā)多收，

在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的

提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)、被視為下

一

代移

動(dòng)通信的核心技術(shù)。

MIMO

系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個(gè)天線和多個(gè)

通道，如圖所示。發(fā)射天線C?

(K)MIMO系統(tǒng)原理接收天線空時(shí)編碼空時(shí)編碼信

宿天線陣信

源Cm(K)Rm(K)R?

(K)S?

(K)分層空時(shí)(D-BLAST

)算法；1998年

Tarokh

等討論了用于MIMO

的空時(shí)碼；1998年

Wolniansky等采用垂直-貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)(V-BLAST)

第

法建立了

一個(gè)MIMO

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)1908年

馬可尼就提出用MIMO來(lái)抗衰落；70年代

有人提出將MIMO

用于通信系統(tǒng)；1995年

Teladar

給出了在衰落情況下的MIMO

容量；1996年

Foshinia給出了一種多入多出處理算法——對(duì)角-貝爾實(shí)驗(yàn)室二、

AAO

的發(fā)展歷史及應(yīng)用這些工作使得MIMO

技術(shù)的研究工作得到了迅速發(fā)展。1.無(wú)線寬帶移動(dòng)通信傳統(tǒng)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結(jié)合無(wú)線通信領(lǐng)域雷達(dá)領(lǐng)域……

……12345However.

.傳統(tǒng)的MIM

O

技術(shù)并不能滿足當(dāng)代呈指數(shù)上漲的無(wú)線數(shù)據(jù)需求，而且面臨著計(jì)

算復(fù)雜度高，成本高昂的回程鏈路的建設(shè)，較高的延時(shí)等問(wèn)題......2010

年底，貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Thomas

L.Marzetta研

究了多小區(qū)、

TDD(time

division

duplexing)情況下，各基站配置無(wú)限數(shù)量天

線的極端情況的多用戶

MIMO

技術(shù)，提出了大規(guī)模MIMO(MassiveMIMO)的概念，發(fā)現(xiàn)了一些與單小區(qū)、有限數(shù)量天線時(shí)的不同特征。Massive

MIMO技

術(shù)指基站天線數(shù)目龐大，而用戶終端采用單天線接收的通信方式，可作為目前移動(dòng)通信系統(tǒng)的一種平滑的過(guò)渡方式，

即不必大面積更新用戶的終端設(shè)備，通過(guò)對(duì)基站的改造，提高系統(tǒng)的頻

譜利用率。大

規(guī)

模AAO

的

概

念Marzetta

研究了

一

種時(shí)分雙工(Time-DivisionDuplexing,TDD)的傳輸策略，在基站天線數(shù)趨近于無(wú)窮時(shí)，通常嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能的熱噪聲和不相干的小區(qū)間干擾將可以被忽咯不計(jì)，

而且最簡(jiǎn)單的波束賦形，

比如最大比合并接收機(jī)將會(huì)變成最優(yōu)。與以往干擾協(xié)調(diào)不同，

Massive

MIMO不再試圖用協(xié)調(diào)不同的基站來(lái)進(jìn)行合作傳輸?shù)姆椒p小干擾，

而是通過(guò)

數(shù)量眾多的天線來(lái)早增加有用信號(hào)的功率，從而增加信

干

比(SIR),

以此來(lái)減少干擾的影響。四一大

規(guī)模

^^

O

的研究方向Massive

MIMO,又稱為large-scale

MIMO。

顧

名思義，就是在基站端安裝幾百根天線(128根、

256根

或

者

更多),從而實(shí)現(xiàn)幾百個(gè)天線同時(shí)發(fā)數(shù)據(jù)。

室外宏覆蓋天線集中配置的

Aassive

MIMO主要應(yīng)用場(chǎng)景高層覆蓋室內(nèi)覆蓋研究方向與傳統(tǒng)天線的不同之處優(yōu)先級(jí)基站天線架構(gòu)設(shè)計(jì)形狀不規(guī)則，呈二維平面/曲面或三維陣列中基站端預(yù)編碼需要挖掘新的預(yù)編碼算法中基站端信號(hào)檢測(cè)和基站端信道估計(jì)TDD不受影響；FDD需要新的反饋算法中控制信道性能改進(jìn)控制信道的覆蓋能力遠(yuǎn)弱于數(shù)據(jù)信道高規(guī)

模MI

MO

的研究方向在沿用現(xiàn)有的LTE

系

統(tǒng)MAC+PHY

的結(jié)構(gòu)下，

MassiveMIMO

的

物理層研究的方向主要包括：Massive

MIMO的

MAC

研

究的方向主要包括：MU-MIMO配對(duì)算法、用戶調(diào)度和資源分配策略

。此外，

Massive

MIMO還可以跟其他組網(wǎng)技

術(shù)相結(jié)

合

，

如LTE

系

統(tǒng)

中

的CoMP

技術(shù)等?！ぁ?/p>

··綜上所述，在5

G中

，Massive

MIMO是非常關(guān)鍵的技術(shù)，其核心問(wèn)題的解決主要在PHY

層和MAC層。五

、

大

規(guī)

模AAD

的

優(yōu)

點(diǎn)●第一，大規(guī)模MIMO

的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO

相比顯著增強(qiáng)，能深度挖掘空間維度資源，使得網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)用戶可以在同一時(shí)頻資

源上利用大規(guī)模MIMO

提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)行通信，從而在不需要增加基站密度和帶寬的條件下大幅度提高頻譜效率.第二，大規(guī)模MIMO

可將波束集中在很窄的范圍內(nèi)，從而大幅度降低干擾.第三，當(dāng)天線數(shù)量足夠大時(shí)，最簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼和線性檢測(cè)器趨于最優(yōu)，并且噪聲和不相關(guān)干擾都可忽咯不計(jì).第四，可大幅降低發(fā)射功率，從而提高功率效率.近兩年針對(duì)大規(guī)模MIMO

技術(shù)的研

究工作

主要集中在信道模型、容量和傳輸技術(shù)性能分析、

預(yù)編碼技術(shù)、信道估計(jì)與信號(hào)檢測(cè)技術(shù)等方面但還存在一些問(wèn)題......大

規(guī)

模AAO

的

缺

陷由于理論建模和實(shí)測(cè)模型工作較少，還沒(méi)有被廣泛認(rèn)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(kāi)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(yuǎn)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(kāi)銷較大，信號(hào)檢測(cè)和預(yù)編碼都需要高維矩陣運(yùn)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(dòng)場(chǎng)景和FDD

系統(tǒng)；在分析信道容量及傳輸方案的性能時(shí)，大都假設(shè)獨(dú)立同分布信道，從而認(rèn)為導(dǎo)頻

污染是大規(guī)模MIMO

的瓶頸問(wèn)題，使得分析結(jié)果存在明顯的局限性，

等

等值得

一

提的

是

-

-

-

-

-七

、

大

規(guī)

模AMO

的

展

望2014年9月，華為攜手中國(guó)移動(dòng)完成全球首次

a

si

e

IMO多天線解決方案應(yīng)用于TD-LTE

網(wǎng)示。M中國(guó)移動(dòng)通信

CHINA

MOBILE七、大

規(guī)

模AAD

的

展

望2014年11月，

中興通訊聯(lián)合中國(guó)移動(dòng)完成了全球首個(gè)TD-LTE3D/MassiveMIMO

基站的預(yù)商用測(cè)試。近日新聞報(bào)道，2015年3月3日，在巴塞羅那舉辦GTI

的2015年世界移動(dòng)通信大會(huì)上，

中興通訊與中

國(guó)移動(dòng)聯(lián)

合

展

示

了

5G3D/MassiveMIMO預(yù)

商

用基站，中興通訊獲得2014年度GTI

“創(chuàng)新解決方案與應(yīng)用大獎(jiǎng)”

。3D/MassiveMIMO是5G的核心技術(shù)之一5G的3D/MassiveMIMO

關(guān)鍵技術(shù)提前引入現(xiàn)網(wǎng)，可以幫助運(yùn)營(yíng)商在4G時(shí)代占據(jù)5G

先機(jī)。七、大

規(guī)

模AIMO

的

展

望目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于Massive

MIMO

的研究才剛剛起

步，仍有大量的與之相關(guān)的研究方向值得關(guān)注

。今后比較有潛力的研究方向包括：1)

如何使用更少的天線數(shù)，

而非無(wú)窮多的天線來(lái)獲取更高的系統(tǒng)容量；2)

如

何

將Massive

MI