Massive MIMO分析

1、Massive MIMO-5G-5G中的關(guān)鍵技術(shù)之一中的關(guān)鍵技術(shù)之一簡(jiǎn)介 大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）是下一代移動(dòng)蜂窩網(wǎng)通信中提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)。它最早由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研究人員提出，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小區(qū)的基站天線數(shù)目趨于無(wú)窮時(shí)，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面影響全都可以忽略不計(jì)，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(gè)數(shù)量級(jí)以上，而基站所服務(wù)的用戶設(shè)備（UserEquipment，UE）數(shù)目遠(yuǎn)少于基站天線數(shù)目；基站利用同一個(gè)時(shí)頻資源同時(shí)服務(wù)若干個(gè)UE，充分發(fā)掘系統(tǒng)的空間自

2、由度。從而增強(qiáng)了基站同時(shí)接收和發(fā)送多路不同信號(hào)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(diǎn) 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(gè)用戶在同一時(shí)頻資源上利用大規(guī)模MIMO提供的空間自由度與基站同時(shí)進(jìn)行通信，提升頻譜資源在多個(gè)用戶之間的復(fù)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(lái)高能效綠色寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。 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(yuǎn)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(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)基站天線數(shù)目趨于無(wú)窮時(shí)，加性高斯白噪聲和瑞利衰落等負(fù)面影響全都可以忽略不計(jì)。Massive MIMO信道模型 無(wú)線信道根據(jù)其自身特點(diǎn)和研究需要，可以建模成多種模型。其中最經(jīng)典的獨(dú)立同分布（Independent and identically distributed， IID）信道。其中“獨(dú)立”和“同分布”倆個(gè)名詞都源自概率論?！蔼?dú)立”是說(shuō)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(guān)鍵技術(shù) 導(dǎo)頻污染 信道估計(jì) 預(yù)編碼技術(shù) 信號(hào)檢測(cè)導(dǎo)頻污染 理想情

4、況下，TDD系統(tǒng)中上下行各個(gè)導(dǎo)頻符號(hào)之間都是相互正交的，這樣對(duì)于接收端接收到的相鄰小區(qū)的干擾信號(hào)都可以利用正交性在解碼時(shí)消除，然而在實(shí)際Massive MIMO系統(tǒng)中，相互正交的導(dǎo)頻序列數(shù)目取決于信道延遲擴(kuò)展及信道相干時(shí)間，并不能完全滿足天線及用戶數(shù)量增加帶來(lái)的導(dǎo)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(dǎo)頻訓(xùn)練序列，從而導(dǎo)致基站端對(duì)信道估計(jì)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(xùn)練序列所污染的估計(jì)，進(jìn)而使得基站接收到的上行導(dǎo)頻信息被嚴(yán)重污染。 當(dāng)存在導(dǎo)頻污染時(shí)，用戶與各個(gè)小區(qū)基站之間的導(dǎo)頻信號(hào)非正交，多個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)相互疊加，使得基站的信道估計(jì)

5、將會(huì)產(chǎn)生誤差。而信道估計(jì)的誤差將會(huì)導(dǎo)致基站側(cè)對(duì)傳輸信號(hào)的信號(hào)處理過(guò)程出現(xiàn)偏差，進(jìn)而引入了小區(qū)間干擾并導(dǎo)致速率飽和效應(yīng)， 導(dǎo)頻污染成為限制Massive MIMO的關(guān)鍵問(wèn)題。信道估計(jì) 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸?shù)挠行砸蕾囉谛诺罓顟B(tài)信息(CSI)的準(zhǔn)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(dǎo)致信道狀態(tài)信息的獲取及準(zhǔn)確性成為關(guān)鍵性問(wèn)題。 在現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，主要存在時(shí)分雙工(TDD)和頻分雙工(FDD)兩種雙工模式。FDD中CSI的獲取 當(dāng)系統(tǒng)采用FDD模式時(shí)，上下行所需要的CSI是不同的?；緜?cè)進(jìn)行的上行信道估計(jì)需要所有用戶發(fā)送不同的導(dǎo)頻序列，此時(shí)

6、上行導(dǎo)頻傳輸需要的資源與天線的數(shù)目無(wú)關(guān)。然而，下行信道獲取CSI時(shí)，需要采用兩階段的傳輸過(guò)程:第一階段，基站先向所有用戶傳輸導(dǎo)頻符號(hào)，第二階段，用戶向基站反饋估計(jì)到的全部或者部分的CSI，此時(shí)傳輸下行導(dǎo)頻符號(hào)所需要的資源與基站側(cè)天線數(shù)目成正比。當(dāng)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(shí)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(zhǎng)，由此引發(fā)的系統(tǒng)反饋幵銷增加以及反饋信息的準(zhǔn)確性及時(shí)性降低已經(jīng)成為FDD雙工模式發(fā)展的瓶頸。因此，針對(duì)Massive M1MO系統(tǒng)FDD模式，最關(guān)鍵的問(wèn)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(dǎo)頻估計(jì)出信道矩陣，避免了大量的反饋信息需求。對(duì)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(guò)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(cè)到的信道狀態(tài)信息檢測(cè)上行數(shù)據(jù)并生成下行傳的用戶同時(shí)發(fā)送上行數(shù)據(jù)信號(hào)；隨后用戶發(fā)送導(dǎo)頻序列，基站利用這些導(dǎo)頻序列估計(jì)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(duì)應(yīng)的導(dǎo)頻序列可能不完全正交，從而引入了用戶間干擾，及導(dǎo)頻污染問(wèn)題。對(duì)于TDD傳輸模式，導(dǎo)頻污染是限制其性能的重要

8、因素之一，因而受到了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛重視。預(yù)編碼方法 預(yù)編碼技術(shù)主要是在發(fā)射端對(duì)于傳輸信號(hào)進(jìn)行處理的過(guò)程，其主要目的是優(yōu)化傳輸信號(hào)，簡(jiǎn)化接收端復(fù)雜程度，提升系統(tǒng)容量及抗干擾能力。l 線性預(yù)編碼：匹配濾波器(MF)、迫零預(yù)編碼(ZF）l 非線性預(yù)編碼：臟紙編碼(DPC)、矢量預(yù)編碼(VP) 線性預(yù)編碼復(fù)雜度低，實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單。非線性預(yù)編碼如臟紙編碼計(jì)算復(fù)雜度較高，但往往會(huì)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(zhǎng)，些線性預(yù)編碼算法，比如匹配濾波器(MF)、迫零預(yù)編碼(ZF)等將會(huì)獲得漸進(jìn)最優(yōu)的性能。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，采用低復(fù)雜度的線性預(yù)編碼算法更為現(xiàn)實(shí)。信

9、號(hào)檢測(cè) 接收端信號(hào)檢測(cè)器主要用于MIMO上行鏈路中恢復(fù)多傳輸天線發(fā)送的期望接收信號(hào)。設(shè)計(jì)低功耗且低計(jì)算復(fù)雜度的接收端較為復(fù)雜但具有巨大的實(shí)際意義，因而在最近的關(guān)于Massive MIMO系統(tǒng)的研宄中，信號(hào)檢測(cè)算法的性能受到了廣泛的關(guān)注。 常用的信號(hào)檢測(cè)算法包括最大似然檢測(cè)(MLD)、迫零撿測(cè)(ZFD)、最小均方誤差檢測(cè)（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(xiàn)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(hào)傳輸模型中相

10、關(guān)性的大小。而大規(guī)模天線陣列的分布形式嚴(yán)重影響到相關(guān)性的分布，當(dāng)天線數(shù)目較多時(shí)，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(duì)信道傳輸矩陣H進(jìn)行SVD分解： 左酉陣U 對(duì)角陣S 右酉陣V 對(duì)角陣 S 中的元素 s1，s2就是 H 矩陣的奇異值。奇異值的個(gè)數(shù)，直接反應(yīng)了信道所支持的“自由度”數(shù)目。奇異值的個(gè)數(shù)，

11、就是該信道矩陣的秩（Rank）。 條件數(shù)越接近1，說(shuō)明信道中各個(gè)平行子信道（自由度）的傳輸條件都很好，很平均；比值越大，說(shuō)明各個(gè)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(duì)各個(gè)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(lái)的好處： l 使用右酉陣 V，可以對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行“預(yù)處理”，將傳輸過(guò)程轉(zhuǎn)化成具有“平行子信道”的對(duì)角陣形式； l 有了信道矩陣秩的信息（奇異值的個(gè)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(gè)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(yīng)用在下行鏈路中，因?yàn)樵诨景惭b多根天線會(huì)比在每個(gè)移動(dòng)終端上安裝多根天線要節(jié)約成本。 采用空間分集技術(shù)，可以為解調(diào)提供多個(gè)發(fā)送信號(hào)的副本，這樣可以提高檢測(cè)的成功率，所以空間分集技術(shù)的主要目的是提高傳輸信號(hào)質(zhì)量。 空間分集的主要應(yīng)用場(chǎng)景有:信道條件較差、信道相關(guān)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(fù)用 空間復(fù)用是在發(fā)射端、接收端同時(shí)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(fù)用結(jié)構(gòu)是V-BLAST (Vertical Bell Labs Space-Time Architecture，垂直貝爾實(shí)驗(yàn)室空時(shí)結(jié)構(gòu)）。該結(jié)構(gòu)在發(fā)射端將要傳輸?shù)男畔⒔?jīng)過(guò)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(qiáng)相關(guān)性以及波的干涉技術(shù)，通過(guò)調(diào)整天線陣元的輸出，從而產(chǎn)生強(qiáng)方向性的輻射方向圖，使輻射方向圖的主瓣指向移動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的覆蓋范圍主要的應(yīng)用場(chǎng)景:信道狀況較差的地方如小區(qū)的邊緣?；ヱ钚?yīng)分析 移動(dòng)通信系統(tǒng)中，天線的作用主要是實(shí)現(xiàn)空間的電磁信號(hào)與電路傳輸中的電壓或電流信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。然而，每個(gè)天線端口檢測(cè)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(hào)相關(guān)。通常，每個(gè)

14、天線端口接收到的電磁信號(hào)既在本天線端口處感應(yīng)出相應(yīng)的電壓/電流信號(hào)，又同時(shí)激發(fā)出一個(gè)感應(yīng)電磁場(chǎng)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(yīng)。 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(yīng)并不明顯。但是當(dāng)應(yīng)用Massive MIMO系統(tǒng)時(shí)，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(dāng)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(zhǎng)時(shí)，可以明顯觀察到信號(hào)受到天線互耦效應(yīng)的影響。當(dāng)天線端口之間的間距進(jìn)一步減小時(shí)，互耦效應(yīng)對(duì)于信號(hào)的影響則愈加明顯。天線間距與相關(guān)性 大規(guī)模系統(tǒng)中基站配置有大量的天線，天線密度過(guò)高、挨得太近容易使傳輸信道呈現(xiàn)相關(guān)性，降低信道容量。 以線性天線陣列為例，當(dāng)天線間距小于半波長(zhǎng)時(shí)，由于天線間相關(guān)性比較強(qiáng)，導(dǎo)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