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

針對(duì)寬帶無(wú)線接入的需求，目前歐盟、中國(guó)、日本、美國(guó)等均啟動(dòng)了第五代移動(dòng)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(dāng)時(shí)最主要的需求。5G(后4G)時(shí)代，小區(qū)越來(lái)越密集，對(duì)容量、耗能和業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越高。提升網(wǎng)絡(luò)吞吐量的主要手段包括，提升點(diǎn)到點(diǎn)鏈路的傳輸速率、擴(kuò)展頻譜資源、高密度部署的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò);對(duì)于高速發(fā)展的數(shù)據(jù)流量和用戶對(duì)帶寬的需求，現(xiàn)有4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)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(gè)天線或更多)可以帶來(lái)很多的性能優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)。

應(yīng)用場(chǎng)景

天線集中配置的Massive MIMO主要應(yīng)用場(chǎng)景有城區(qū)覆蓋、無(wú)線回傳、郊區(qū)覆蓋、局部熱點(diǎn)。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(wú)線回傳主要解決基站之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，特別是宏站與Small Cell之間的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，郊區(qū)覆蓋主要解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的無(wú)線傳輸問(wèn)題，局部熱點(diǎn)主要針對(duì)大型賽事、演唱會(huì)、商場(chǎng)、露天集會(huì)、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(shí)際問(wèn)題，分布式天線也有用武之地，重點(diǎn)需要考慮天線之間的協(xié)作機(jī)制及信令傳輸問(wèn)題。大規(guī)模天線未來(lái)主要應(yīng)用場(chǎng)景可以從室外宏覆蓋、高層覆蓋、室內(nèi)覆蓋這三種主要場(chǎng)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(shí)現(xiàn)幾百個(gè)天線同時(shí)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(shè)計(jì)、基站端預(yù)編碼、基站端信號(hào)檢測(cè)、基站端信道估計(jì)、控制信道性能改進(jìn)(見(jiàn)表1)。

天線陣元大幅增加，需要擴(kuò)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(gè)面陣天線(面板型)，還是如中國(guó)移動(dòng)所提出的“和”之類的異形狀態(tài)?同時(shí)，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(shí)帶來(lái)了天線外形尺寸的增大，傳統(tǒng)以平面波方式進(jìn)行信道的建模對(duì)于近場(chǎng)偏差就會(huì)變得較大，合適的信道建模方式也是需要關(guān)注的問(wèn)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(yīng)用。

隨著天線數(shù)的增多，Massive MIMO的性能將會(huì)趨于平緩，此時(shí)可以使用多用戶復(fù)用(Multi-User MIMO,MU-MIMO)。MU-MIMO技術(shù)的核心是預(yù)編碼。現(xiàn)有的預(yù)編碼技術(shù)主要是：MRT、ZF以及DPC。這些技術(shù)中，DPC被認(rèn)為是最優(yōu)的，MRT性能最差，ZF居中。尋找合適的預(yù)編碼算法也非常重要，通常在工程中使用ZF，是否能有復(fù)雜度和性能兼?zhèn)涞男碌念A(yù)編碼算法是物理層最關(guān)鍵的問(wèn)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(wú)窮)時(shí)，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(wú)關(guān)。基站幾百根天線的導(dǎo)頻設(shè)計(jì)需要耗費(fèi)大量時(shí)頻資源，所以基于導(dǎo)頻的信道估計(jì)方式不可取。具體的實(shí)施方案，包括TDD和FDD兩種模式，其中TDD有天然的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)殡S著天線數(shù)的增多，CSI-RS的開(kāi)銷增大，而TDD可以利用信道的互易性進(jìn)行信道估計(jì)，不需要導(dǎo)頻進(jìn)行信道估計(jì)，TDD的方式是首選;FDD覆蓋面廣，普及面高，采用較小開(kāi)銷的碼本來(lái)進(jìn)行信道系數(shù)的估計(jì)和反饋也是可以的，信道反饋時(shí)可以考慮CS(Compressive Sensing)等算法，所以FDD下的信道檢測(cè)、估計(jì)和反饋也是不可忽視的一部分。

天線數(shù)增多后，業(yè)務(wù)信道的覆蓋通常能滿足要求，而控制信道的能力并不會(huì)隨著天線數(shù)增多而增強(qiáng)，因此控制信道的覆蓋將會(huì)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(duì)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(shí)可以使用相同的時(shí)頻資源對(duì)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)使用MU-MIMO時(shí)，由于基站側(cè)同時(shí)給多個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)，每個(gè)用戶能獲得的實(shí)際發(fā)送功率會(huì)等比減小，眾所周知，功率降低，就會(huì)帶來(lái)性能的損失。那么，判斷哪些用戶適合配對(duì)、怎樣配對(duì)對(duì)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(yuǎn)的天線之間的間距較大，為了充分使用天線，以達(dá)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(shí)，發(fā)送天線可以同時(shí)給多個(gè)用戶發(fā)送，也可以只給某一個(gè)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(jìn)行，此時(shí)還需要考慮配對(duì)用戶重傳時(shí)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(wèn)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(jìn)行信道建模以完成后續(xù)的研究;合理的預(yù)編碼設(shè)計(jì)，快速有效的信道檢測(cè)與估計(jì);提升控制信道性能;根據(jù)場(chǎng)景和應(yīng)用，選擇合適的MU配對(duì)算法和天線分塊或者分布式的天線分配方法，進(jìn)行物理資源的調(diào)度和資源分配;最終達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目的。