Massive MIMO分析

1、Massive MIMO-5G-5G中的關鍵技術之一中的關鍵技術之一簡介 大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）是下一代移動蜂窩網(wǎng)通信中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關鍵技術。它最早由美國貝爾實驗室研究人員提出，研究發(fā)現(xiàn)，當小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無窮時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計，數(shù)據(jù)傳輸速率能得到極大提高。 在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，基站配置大量的天線數(shù)目通常有幾十、幾百甚至幾千根，是現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)天線數(shù)目的12個數(shù)量級以上，而基站所服務的用戶設備（UserEquipment，UE）數(shù)目遠少于基站天線數(shù)目；基站利用同一個時頻資源同時服務若干個UE，充分發(fā)掘系統(tǒng)的空間自

2、由度。從而增強了基站同時接收和發(fā)送多路不同信號的能力，大大提高了頻譜利用率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。優(yōu)點 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO系統(tǒng)相比顯著提高，它能深度挖掘空間維度資源，使得基站覆蓋范圍內(nèi)的多個用戶在同一時頻資源上利用大規(guī)模MIMO提供的空間自由度與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的復用能力，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。 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)可形成更窄的波束，集中輻射于更小的空間區(qū)域內(nèi)，從而使基站與UE之間的射頻傳輸鏈路上的能量效率更高，減少基站發(fā)射功率損耗，是構(gòu)建未來高能效綠色寬帶無線通信系統(tǒng)的重要技術。 大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具

3、有更好的魯棒性能。由于天線數(shù)目遠大于UE數(shù)目，系統(tǒng)具有很高的空間自由度，系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力。當基站天線數(shù)目趨于無窮時，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負面影響全都可以忽略不計。Massive MIMO信道模型 無線信道根據(jù)其自身特點和研究需要，可以建模成多種模型。其中最經(jīng)典的獨立同分布（Independent and identically distributed， IID）信道。其中“獨立”和“同分布”倆個名詞都源自概率論?！蔼毩ⅰ笔钦f每條路徑的傳輸成功與否，相互之間并不影響；而“同分布”表示概率分布相同，即成功率都是1/2。關鍵技術 導頻污染 信道估計 預編碼技術 信號檢測導頻污染 理想情

4、況下，TDD系統(tǒng)中上下行各個導頻符號之間都是相互正交的，這樣對于接收端接收到的相鄰小區(qū)的干擾信號都可以利用正交性在解碼時消除，然而在實際Massive MIMO系統(tǒng)中，相互正交的導頻序列數(shù)目取決于信道延遲擴展及信道相干時間，并不能完全滿足天線及用戶數(shù)量增加帶來的導頻序列數(shù)目需求。用戶數(shù)量的增加使相鄰小區(qū)間不同用戶采用非正交的（相同的）導頻訓練序列，從而導致基站端對信道估計的結(jié)果并非本地用戶和基站間的信道， 而是被其他小區(qū)用戶發(fā)送的訓練序列所污染的估計，進而使得基站接收到的上行導頻信息被嚴重污染。 當存在導頻污染時，用戶與各個小區(qū)基站之間的導頻信號非正交，多個導頻信號相互疊加，使得基站的信道估計

5、將會產(chǎn)生誤差。而信道估計的誤差將會導致基站側(cè)對傳輸信號的信號處理過程出現(xiàn)偏差，進而引入了小區(qū)間干擾并導致速率飽和效應， 導頻污染成為限制Massive MIMO的關鍵問題。信道估計 在移動通信系統(tǒng)中，信號傳輸?shù)挠行砸蕾囉谛诺罓顟B(tài)信息(CSI)的準確性。然而，在Massive MIMO系統(tǒng)中，基站側(cè)天線數(shù)以及小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目的增加，導致信道狀態(tài)信息的獲取及準確性成為關鍵性問題。 在現(xiàn)有的移動通信系統(tǒng)中，主要存在時分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)兩種雙工模式。FDD中CSI的獲取 當系統(tǒng)采用FDD模式時，上下行所需要的CSI是不同的?；緜?cè)進行的上行信道估計需要所有用戶發(fā)送不同的導頻序列，此時

6、上行導頻傳輸需要的資源與天線的數(shù)目無關。然而，下行信道獲取CSI時，需要采用兩階段的傳輸過程:第一階段，基站先向所有用戶傳輸導頻符號，第二階段，用戶向基站反饋估計到的全部或者部分的CSI，此時傳輸下行導頻符號所需要的資源與基站側(cè)天線數(shù)目成正比。當采用Massive MIMO系統(tǒng)，基站側(cè)天線數(shù)目增加大大增加了 CSI獲取時占用的資源量。 在Massive MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)所需的反饋信息量隨著天線數(shù)目的增加成正比例增長，由此引發(fā)的系統(tǒng)反饋幵銷增加以及反饋信息的準確性及時性降低已經(jīng)成為FDD雙工模式發(fā)展的瓶頸。因此，針對Massive M1MO系統(tǒng)FDD模式，最關鍵的問題，在于降低數(shù)據(jù)傳輸中反饋

7、占用的資源量。TDD中CSI的獲取 TDD可以利用信道互易性直接利用上行導頻估計出信道矩陣，避免了大量的反饋信息需求。對于TDD系統(tǒng)這種消耗則與用戶數(shù)量成正比。CSI獲取的具體過程如下： 首先，系統(tǒng)中所有的信道狀態(tài)信息；接著基站使用估測到的信道狀態(tài)信息檢測上行數(shù)據(jù)并生成下行傳的用戶同時發(fā)送上行數(shù)據(jù)信號；隨后用戶發(fā)送導頻序列，基站利用這些導頻序列估計小區(qū)中用戶輸?shù)牟ㄊx形矢量。然而，由于多用戶Massive MIMO系統(tǒng)中，基站側(cè)天線數(shù)目及系統(tǒng)中用戶數(shù)目都很多，使得相鄰小區(qū)的不同用戶對應的導頻序列可能不完全正交，從而引入了用戶間干擾，及導頻污染問題。對于TDD傳輸模式，導頻污染是限制其性能的重要

8、因素之一，因而受到了國內(nèi)外專家學者的廣泛重視。預編碼方法 預編碼技術主要是在發(fā)射端對于傳輸信號進行處理的過程，其主要目的是優(yōu)化傳輸信號，簡化接收端復雜程度，提升系統(tǒng)容量及抗干擾能力。l 線性預編碼：匹配濾波器(MF)、迫零預編碼(ZF）l 非線性預編碼：臟紙編碼(DPC)、矢量預編碼(VP) 線性預編碼復雜度低，實現(xiàn)較簡單。非線性預編碼如臟紙編碼計算復雜度較高，但往往會獲得更佳的效果。然而，在Massive MIMO系統(tǒng)中，隨著基站側(cè)天線數(shù)目的增長，些線性預編碼算法，比如匹配濾波器(MF)、迫零預編碼(ZF)等將會獲得漸進最優(yōu)的性能。因此，在實際應用中，采用低復雜度的線性預編碼算法更為現(xiàn)實。信

9、號檢測 接收端信號檢測器主要用于MIMO上行鏈路中恢復多傳輸天線發(fā)送的期望接收信號。設計低功耗且低計算復雜度的接收端較為復雜但具有巨大的實際意義，因而在最近的關于Massive MIMO系統(tǒng)的研宄中，信號檢測算法的性能受到了廣泛的關注。 常用的信號檢測算法包括最大似然檢測(MLD)、迫零撿測(ZFD)、最小均方誤差檢測（MMSED)、連續(xù)干擾消除（SIC)等。天線陣列分布 在Massive MIMO系統(tǒng)中，基站端裝備大規(guī)模天線陣列，利用多根天線形成的空間自由度及有效的多徑分量，提高系統(tǒng)的頻譜利用效率。在文獻中研究表明MIMO系統(tǒng)的容量取決于信道矩陣H的秩，而信道矩陣H的秩取決于信號傳輸模型中相

10、關性的大小。而大規(guī)模天線陣列的分布形式嚴重影響到相關性的分布，當天線數(shù)目較多時，天線陣列分布可以采用多種形式，包括直線型陣列、圓形陣列、平面陣列等。 在分析研究中，較為常見的天線陣列，包括均勾線性陣列(Uniform Linear Array， ULA)、均勾平面陣列(Uniform Planar Array UPA)、均勻圓形陣列(Uniform Circular Array，UCA)等。信道矩陣的奇異值分解對信道傳輸矩陣H進行SVD分解： 左酉陣U 對角陣S 右酉陣V 對角陣 S 中的元素 s1，s2就是 H 矩陣的奇異值。奇異值的個數(shù)，直接反應了信道所支持的“自由度”數(shù)目。奇異值的個數(shù)，

11、就是該信道矩陣的秩（Rank）。 條件數(shù)越接近1，說明信道中各個平行子信道（自由度）的傳輸條件都很好，很平均；比值越大，說明各個子信道的傳輸條件好的好，差的差。注水算法利用注水算法對各個子信道分配功率，以提高系統(tǒng)容量發(fā)送端獲得信道信息后，能夠帶來的好處： l 使用右酉陣 V，可以對發(fā)送信號進行“預處理”，將傳輸過程轉(zhuǎn)化成具有“平行子信道”的對角陣形式； l 有了信道矩陣秩的信息（奇異值的個數(shù)），可以靈活的調(diào)整空間流數(shù)（自由度），從而提高通信系統(tǒng)效率； l 知道了奇異值的個數(shù)和大小后，可以使用“注水算法”分配發(fā)送功率，提升系統(tǒng)容量。 空間分集 空間分集是在發(fā)射端或接收端使用多根天線，一般地，空間

12、分集經(jīng)常應用在下行鏈路中，因為在基站安裝多根天線會比在每個移動終端上安裝多根天線要節(jié)約成本。 采用空間分集技術，可以為解調(diào)提供多個發(fā)送信號的副本，這樣可以提高檢測的成功率，所以空間分集技術的主要目的是提高傳輸信號質(zhì)量。 空間分集的主要應用場景有:信道條件較差、信道相關性較低的情況，如切換區(qū)域，小區(qū)邊緣，陰影衰落較大的地方?？臻g復用 空間復用是在發(fā)射端、接收端同時使用多根矢線，可以成倍的提高系統(tǒng)傳輸?shù)乃俾省?經(jīng)典的空間復用結(jié)構(gòu)是V-BLAST (Vertical Bell Labs Space-Time Architecture，垂直貝爾實驗室空時結(jié)構(gòu)）。該結(jié)構(gòu)在發(fā)射端將要傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過串并變換

13、后映射到不同的天線上，可以使總的數(shù)據(jù)速率隨發(fā)射天線和接收天線的最小值呈線性的增加。波束賦形 波束賦形的主要原理是利用空間信道的強相關性以及波的干涉技術，通過調(diào)整天線陣元的輸出，從而產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣指向移動終端所在的地方，從而提高接收信噪比，減小用戶之間的干擾，增加系統(tǒng)的吞吐量和提高整個系統(tǒng)的覆蓋范圍主要的應用場景:信道狀況較差的地方如小區(qū)的邊緣?；ヱ钚治?移動通信系統(tǒng)中，天線的作用主要是實現(xiàn)空間的電磁信號與電路傳輸中的電壓或電流信號的相互轉(zhuǎn)換。然而，每個天線端口檢測到的電壓或者電流的值往往受到其他相鄰的天線端口的影響，而不僅僅與直接入射的電磁信號相關。通常，每個

14、天線端口接收到的電磁信號既在本天線端口處感應出相應的電壓/電流信號，又同時激發(fā)出一個感應電磁場影響相鄰天線端口的電壓/電流值，這種現(xiàn)象即稱為互耦效應。 在傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)中，天線的部署較為松散，天線端口的間距足夠大以至于互耦效應并不明顯。但是當應用Massive MIMO系統(tǒng)時，基站側(cè)需要在固定的物理空間內(nèi)裝備大量的天線，往往不能保證天線端口間的隔離距離。經(jīng)典的MIMO研宄理論表明，當天線端口之間的間距小于或者等于二分之一傳輸電磁波的波長時，可以明顯觀察到信號受到天線互耦效應的影響。當天線端口之間的間距進一步減小時，互耦效應對于信號的影響則愈加明顯。天線間距與相關性 大規(guī)模系統(tǒng)中基站配置有大量的天線，天線密度過高、挨得太近容易使傳輸信道呈現(xiàn)相關性，降低信道容量。 以線性天線陣列為例，當天線間距小于半波長時，由于天線間相關性比較強，導致大規(guī)模天線陣列系統(tǒng)提升頻譜效率的能力急劇下降。為保證