隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)以及無處不在接入的需求正呈現(xiàn)出一種爆炸式的增長。根據(jù)預(yù)測到2020年，業(yè)務(wù)量將為目前業(yè)務(wù)量的1000倍，基于此，需要提升寬帶無線接入網(wǎng)的能力，適應(yīng)未來用戶業(yè)務(wù)需求。

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(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)越來越密集，對容量、耗能和業(yè)務(wù)的需求越來越高。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(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(diǎn)。

應(yīng)用場景

天線集中配置的massive mimo主要應(yīng)用場景有城區(qū)覆蓋、無線回傳、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(yuǎn)地區(qū)的無線傳輸問題，局部熱點(diǎn)主要針對大型賽事、演唱會(huì)、商場、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)制及信令傳輸問題。大規(guī)模天線未來主要應(yīng)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(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、基站端信號檢測、基站端信道估計(jì)、控制信道性能改進(jìn)（見表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)行信道的建模對于近場偏差就會(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?，F(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(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)，與小尺度無關(guān)?；編装俑炀€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，這是因?yàn)殡S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(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，采用較小開銷的碼本來進(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、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(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與估計(jì)；提升控制信道性能；根據(jù)場景和應(yīng)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(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。

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