大规模MIMO技术在未来5G通信系统中的展望

大规模MIMO技术在未来5G通信系统中的展望

董 健 周普成

江苏省邮电规划设计院有限责任公司，江苏 南京 210019

摘要：多输入多输出（MIMO）技术能够在不消耗额外资源的条件下成倍增加信道容量，已成为未来移动通信的核心技术之一，但同时MIMO系统仍有许多关键问题亟待解决。本文主要讨论了信道状态信息获取及多用户上下行无线传输技术等大规模MIMO传输关键技术的研究进展，目的在于进一步挖掘MIMO的潜力，促进MIMO技术在未来移动通信中的应用。

关键词：MIMO传输技术、多用户上下行无线传输技术 中图分类号：TN919.3 文献标识码：A 文章编号：1009-6434(2015)8-0032-02

1 MIMO传输技术与5G移动通信的介绍

过去数十年，多输入多输出（MIMO)技术被广泛的研究过，它可以不增加额外的宽带和功率消耗显著提高无线通信系统的频谱利用率。随着智能移动终端的普及和移动新业务需求的不断发展，移动通信传输速率呈指数增长，未来移动通信系统需满足以下要求：（1）在同一时频资源上服务更多用户；（2）更高的频谱利用率和通信可靠性；（3）更低的功耗。系统服务更多用户会产生更多干扰，从而影响系统可靠性，而更高的数据速率需要较大的功率消耗，以上需求相互矛盾，很难实现。

5G 是面向 2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统.其中，Massive MIMO以其相对直观的提高系统容量的方式成为当前的研究热点。所谓Massive MIMO，是指在基站端配置超过一百根，且小于一千根的天线，即每个基站都有一个大规模的天线阵列，可以同时服务大量的用户。这些额外多出来的天线可以带来如下的增益：简化了多用户的处理，随着天线数的增加，诸如最大比合并和发射，迫零等线性处理方法就足以获得非常接近复杂编码如脏纸编码算法的最优性能；可以显著降低上下行链路的发射功率，符合未来以降低能源消耗和保护人类生存环境为目标的“绿色通信”的要求；大天线阵列的存在可以很好地消除热噪声和快衰落效应。

2 Massive MIMO的天线配置

在现有的无线通信条件下，要在基站处布置大量的天线是一个极具挑战性的问题。C.Shepard等实现了一个实际的

大天线阵列（64根天线）基站的原型“Argos”[1]

。文献[2]考虑了蜂窝网络中大天线阵列在基站的配置形态，考虑了集中式和利用光纤将大量天线分开布置的分布式两种情况，分析了它们下行的渐近速率。值得一提的是，由于毫米波通信的引入，因为波长更短，使得大规模天线阵列的尺寸可以在一个合理的范围之内，例如载波为30GHz的毫米波的100个天线单元的线阵仅需要50cm的长度。此外，直接将大量天线贴在建筑物的表面或者3D的天线排布模式都是有可能的。

3 Massive MIMO的接发收机设计

Massive MIMO技术的优势实现离不开实际接发收机的设计。在上行链路中，由于大量天线的存在可以显著地降低用户发射功率。已经证明在多小区多用户MIMO系统中，当保证一定的QoS（Quality-of-Service），具有理想CSI（Channel State Information）时，用户的发射功率与基站的天线数成反比，而当CSI不理想时，则与基站天线数的平方根成反比。但是在Massive MIMO的下行链路预编码设计中，由于基站处天线数目的大量增加，传统的信道状态信息（CSI，32 2015年8期

channel state information）反馈模式已无法适用，这是因为传统的CSI反馈量是随着天线数线性增长的，当天线数很多时，反馈所需的时间将会远大于信道相干时间。所以，当前的Massive MIMO仅考虑应用于TDD（Time Division Duplex）系统，利用信道互易性来获得信道状态信息。但是由于导频信号空间的维数总是有限的，所以不可避免的总是存在不同小区的用户采用相同导频同时发射，从而导致基站无法区分，形成如图1所示的所谓的“导频污染”(pilot contamination)。在多小区TDD系统中，特定基站对各个信道的估计都是该基站接收信号与导频乘积的一个缩放，而基站本身在接收信号中无法区分本小区用户和其他小区用户，因而导频污染成了制约整个大规模MIMO系统性能的瓶颈。

图1 Massive MIMO多小区多用户TDD系统中的导频污染 针对导频污染问题，已经有很多文献给出了理论研究和可以减轻的方法。将目标小区的导频发射帧与相邻小区的数据帧对齐，从而避免导频污染，而且这时增加导频发射功率是有益的，能获得更好的信道估计，提升系统的性能。文献[3]进一步扩展，对多个小区进行分组，在同一组内同时发送导频，不同组之间的用户则在非交叠的时隙发送导频，从而极大地提升下行数据速率。一个针对多小区大规模天线系统（LSAS）的完全无噪声和无干扰的导频污染预编码方法被构造了，其付出的代价是所有小区间不仅交换信道信息，还需要共享数据信息。

4 多用户传输技术

如何实现多用户空间无线资源共享及如何优化设计多用户上下行传输系统，涉及基站侧和用户端所能够获得的信道状态信息。在大规模MIMO无线通信系统中，基站侧与用

移动信息

户端均难以获取完整信道的瞬时状态信息，这意味着大规模MIMO传输技术将不同于现有的MIMO传输技术。在已报道的有关工作中，所涉及的基本传输方案大都是贝尔实验室提出的最初方案，利用上行链路正交导频和TDD系统和上下行信道互易性，基站侧可获得多用户上下行信道参数估计值，基站侧假定所获取的信道参数估计值为真实值，并以此实施多用户联合上行接收处理和下行预编码传输。

Massive MIMO系统全面基本的性能极限等都已成为5G无线通信领域最具潜力的研究方向。

参考文献

[1]Yu H, Anand N, Shepard C, et al.Argos: practical many-antenna base stations[J].Mobicom Proceedings of Annual International Conference on Mobile Computing & Networking, 2012,11(1):53-64.

[2] Wang J, Dai L.Asymptotic Rate Analysis of Downlink Multi-User Systems With Co-Located and Distributed Antennas[J].Wireless Communications IEEE Transactions on, 2013,14:3046-3058.

[3]FERNANDES F, ASHIKHMIN A, MARZETTA T L.Interference reduction on cellular networks with large antenna arrays[C]// Proc IEEE International Conference on Communications (ICC), Ottawa, Canada, 2012.

5 结束语

但应该看到，对于TDD系统中导频污染的处理，目前并没有特别理想的解决方法，此外，对于Massive MIMO系统的各项基本性能极限的分析，目前的结果也不是非常全面和具有广泛的指导意义，所以如果能利用一些新的手段使得Massive MIMO也能适用于FDD系统，和利用大天线阵列实现稠密小区间的干扰改善，以及运用一些新的数学工具得到

（上接第 8 页） （调度录音系统、95598录音系统、6186录音系统及将来建设的录音系统）拨打或接听电话完成后当用户一挂机时即把录音信息记录以Web Service方式上传到集中查询平台服务器。

“协议落地、内容检测”。这样，既从物理上隔离、阻断了

具有潜在攻击可能的一切连接，又进行了强制内容检测，从而实现最高级别的安全。

在生产二区与三区接口处接入一台安全隔离网闸，建议以桥接或路由方式接入，简单启用相关的数据交换、安全防护功能即可。

2.4 录音数据传输网络安全防护设计

本次项目由于牵涉到电力内部网络二区与三区数据通信要求，即查询数据与生产数据要求隔离，不能直接访问，因此我们推荐使用安全隔离网闸设备进行网络隔离。

安全隔离网闸是利用网络隔离技术的访问控制产品，处于网络边界，连接两个或多个安全等级不同的网络，主要应用于敏感安全部门网络建设中，对重点数据提供高安全隔离的保护。

本期工程位于省电力公司内部生产二区与三区进行数据交换，恰恰符合内部数据定位的要求，因此选用安全隔离网闸部署在生产二区与三区接口处，能够最大限度地保护生产二区录音数据生产安全。

安全隔离技术的工作原理是使用带有多种控制功能的固态开关读写介质连接两个独立的主机系统，模拟人工在两个隔离网络之间的信息交换。其本质在于：两个独立主机系统之间，不存在通信的物理连接和逻辑连接，不存在依据TCP/IP协议的信息包转发，只有格式化数据块的无协议“摆渡”。 被隔离网络之间的数据传递方式采用完全的私有方式，不具备任何通用性。

安全隔离网闸系统两侧网络之间所有的TCP/IP连接在其主机系统上都要进行完全的应用协议还原，还原后的应用层信息根据用户的策略进行强制检查后，以格式化数据块的方式通过隔离交换矩阵进行单向交换，在另外一端的主机系统上通过自身建立的安全会话进行最终的数据通信，即实现

3 结束语

录音信息集中查询平台是构建在应用支撑平台平台提供公共应用组件群基础上的，平台主要包括Web门户、内容管理、统一用户、单点登入、报表组件等公共组件。整个系统类似“搭积木式”进行搭建，大大加快了各业务系统的开发进度。整个系统的开发，集中应用了面向服务、面向业务、面向组件的新一代软件开发思想，为构建科学、先进、可靠、灵活、可扩展、一体化、可视化、组件化、智能化、实用化的录音信息集中查询平台打下了坚实的基础。

参考文献

[1]苗新,张恺,田世明,等.支撑智能电网的信息通信体系[J].电网技术,2009(17).

[2]王建设.电力企业信息化的建设与管理初探[J].电力信息化,2009(2).

[3]崔毅敏,李福岭. 浅谈智能电网和智能网络[J].电力信息化,2008(11).

[4]杜志杰. 电网调度自动化发展趋势研究[J].科技创新导报,2008(25).

[5]黄盛,利韶聪. 数字电网技术与电力通信平台[J].电力系统通信,2008(6).

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