5G關(guān)鍵技術(shù)：大規(guī)模多天線技術(shù)現(xiàn)狀及研究點

針對寬帶無線接入的需求，目前歐盟、中國、日本、美國等均啟動了第五代移動通信系統(tǒng)的需求與關(guān)鍵技術(shù)研究。從2G/3G到4G，每一代系統(tǒng)的更新，都伴隨著新技術(shù)的更新，都是為了解決當時最主要的需求。5G(后4G)時代，小區(qū)越來越密集，對容量、耗能和業(yè)務的需求越來越高。提升網(wǎng)絡吞吐量的主要手段包括，提升點到點鏈路的傳輸速率、擴展頻譜資源、高密度部署的異構(gòu)網(wǎng)絡;對于高速發(fā)展的數(shù)據(jù)流量和用戶對帶寬的需求，現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡的多天線技術(shù)(8端口MU-MIMO、CoMP)很難滿足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大規(guī)模天線陣列(比如數(shù)百個天線或更多)可以帶來很多的性能優(yōu)勢。這種基站采用大規(guī)模天線陣列的MU-MIMO被稱為大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)(Large Scale Antenna System，或稱為Massive MIMO)。

本文旨在介紹5G中關(guān)鍵技術(shù)之一，Massive MIMO的現(xiàn)狀以及在系統(tǒng)仿真中最關(guān)注的研究點。

應用場景

天線集中配置的Massive MIMO主要應用場景有城區(qū)覆蓋、無線回傳、郊區(qū)覆蓋、局部熱點。其中城區(qū)覆蓋分為宏覆蓋和微覆蓋(例如高層寫字樓)兩種。無線回傳主要解決基站之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，特別是宏站與Small Cell之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，郊區(qū)覆蓋主要解決偏遠地區(qū)的無線傳輸問題，局部熱點主要針對大型賽事、演唱會、商場、露天集會、交通樞紐等用戶密度高的區(qū)域。

考慮到天線尺寸、安裝等實際問題，分布式天線也有用武之地，重點需要考慮天線之間的協(xié)作機制及信令傳輸問題。大規(guī)模天線未來主要應用場景可以從室外宏覆蓋、高層覆蓋、室內(nèi)覆蓋這三種主要場景劃分。

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)，從而實現(xiàn)幾百個天線同時發(fā)數(shù)據(jù)。

在沿用現(xiàn)有的LTE系統(tǒng)MAC+PHY的結(jié)構(gòu)下，Massive MIMO的物理層研究的方向主要包括：基站天線架構(gòu)設計、基站端預編碼、基站端信號檢測、基站端信道估計、控制信道性能改進(見表1)。

天線陣元大幅增加，需要擴展到二維平面/曲面或三維陣列。是全向天線(球形)，或者是一個面陣天線(面板型)，還是如中國移動所提出的“和”之類的異形狀態(tài)?同時，由于天線數(shù)較多，滿足隔離度的天線尺寸可能較大，因此較高頻段(>5GHz)的使用也是研究課題之一。

天線數(shù)增多，同時帶來了天線外形尺寸的增大，傳統(tǒng)以平面波方式進行信道的建模對于近場偏差就會變得較大，合適的信道建模方式也是需要關(guān)注的問題之一。

此外，MIMO所要用的有源天線transever模式，在LTE中已經(jīng)有所應用。

隨著天線數(shù)的增多，Massive MIMO的性能將會趨于平緩，此時可以使用多用戶復用(Multi-User MIMO,MU-MIMO)。MU-MIMO技術(shù)的核心是預編碼。現(xiàn)有的預編碼技術(shù)主要是：MRT、ZF以及DPC。這些技術(shù)中，DPC被認為是最優(yōu)的，MRT性能最差，ZF居中。尋找合適的預編碼算法也非常重要，通常在工程中使用ZF，是否能有復雜度和性能兼?zhèn)涞男碌念A編碼算法是物理層最關(guān)鍵的問題之一。

與傳統(tǒng)的MIMO相比，Massive MIMO的不同之處主要在于，天線趨于很多(無窮)時，信道之間趨于正交。系統(tǒng)的很多性能都只與大尺度相關(guān)，與小尺度無關(guān)?；編装俑炀€的導頻設計需要耗費大量時頻資源，所以基于導頻的信道估計方式不可取。具體的實施方案，包括TDD和FDD兩種模式，其中TDD有天然的優(yōu)勢，這是因為隨著天線數(shù)的增多，CSI-RS的開銷增大，而TDD可以利用信道的互易性進行信道估計，不需要導頻進行信道估計，TDD的方式是首選;FDD覆蓋面廣，普及面高，采用較小開銷的碼本來進行信道系數(shù)的估計和反饋也是可以的，信道反饋時可以考慮CS(Compressive Sensing)等算法，所以FDD下的信道檢測、估計和反饋也是不可忽視的一部分。

天線數(shù)增多后，業(yè)務信道的覆蓋通常能滿足要求，而控制信道的能力并不會隨著天線數(shù)增多而增強，因此控制信道的覆蓋將會成為系統(tǒng)性能的瓶頸。

Massive MIMO的MAC研究的方向主要包括：MU-MIMO配對算法、用戶調(diào)度和資源分配策略。

Massive MIMO由于天線數(shù)較多，多用戶之間的信道趨于正交，此時可以使用相同的時頻資源對用戶進行數(shù)據(jù)的傳輸。當使用MU-MIMO時，由于基站側(cè)同時給多個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，每個用戶能獲得的實際發(fā)送功率會等比減小，眾所周知，功率降低，就會帶來性能的損失。那么，判斷哪些用戶適合配對、怎樣配對對系統(tǒng)的性能最優(yōu)，在Massive MIMO中是非常重要的。

由于Massive MIMO天線數(shù)眾多，相隔較遠的天線之間的間距較大，為了充分使用天線，以達到提高系統(tǒng)容量的目的，用戶分塊使用天線，一部分天線給A用戶，一部分天線給B用戶。這就是用戶天線資源的分配策略。

同時，發(fā)送天線可以同時給多個用戶發(fā)送，也可以只給某一個用戶發(fā)送，這就是RB資源的分配策略。目前可以采用跟傳統(tǒng)資源分配一樣的方式進行，此時還需要考慮配對用戶重傳時的策略。

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。

綜上所述，在5G中，Massive MIMO是非常關(guān)鍵的技術(shù)，其核心問題的解決主要在PHY層和MAC層。Massive MIMO中重要的研究課題環(huán)環(huán)相扣，我們首先要確定Massive MIMO的天線形態(tài)、頻段;選擇合適的方法進行信道建模以完成后續(xù)的研究;合理的預編碼設計，快速有效的信道檢測與估計;提升控制信道性能;根據(jù)場景和應用，選擇合適的MU配對算法和天線分塊或者分布式的天線分配方法，進行物理資源的調(diào)度和資源分配;最終達到提升系統(tǒng)性能的目的。