大規(guī)模MIMO課程課件

大

規(guī)

模目

錄一

、MIMO的

概

念

及

原

理二、

MIM

O

的發(fā)展歷史及應用三、

大規(guī)模MIMO

的概念四、

大規(guī)模MIM

O的研究方向五

、大規(guī)

模MIMO的

優(yōu)

點六

、

大

規(guī)

模MIMO的

缺

陷七、大規(guī)模MIMO

的展望

A①

的

概

念MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技

術

，

即多

入多出技術，指在發(fā)射端和接收端分別使用多個發(fā)射天線

和接收天線，使信號通過發(fā)射端與接收端的多個天線傳送

和接收，從而改善通信質(zhì)量?！?/p>

它能充分利用空間資源，通過多個天線實現(xiàn)多發(fā)多收，

在不增加頻譜資源和天線發(fā)射功率的情況下，可以成倍的

提高系統(tǒng)信道容量，顯示出明顯的優(yōu)勢、被視為下

一

代移

動通信的核心技術。

MIMO

系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端均采用多個天線和多個

通道，如圖所示。發(fā)射天線C?

(K)MIMO系統(tǒng)原理接收天線空時編碼空時編碼信

宿天線陣信

源Cm(K)Rm(K)R?

(K)S?

(K)分層空時(D-BLAST

)算法；1998年

Tarokh

等討論了用于MIMO

的空時碼；1998年

Wolniansky等采用垂直-貝爾實驗室分層空時(V-BLAST)

第

法建立了

一個MIMO

實驗系統(tǒng)1908年

馬可尼就提出用MIMO來抗衰落；70年代

有人提出將MIMO

用于通信系統(tǒng)；1995年

Teladar

給出了在衰落情況下的MIMO

容量；1996年

Foshinia給出了一種多入多出處理算法——對角-貝爾實驗室二、

AAO

的發(fā)展歷史及應用這些工作使得MIMO

技術的研究工作得到了迅速發(fā)展。1.無線寬帶移動通信傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)和傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)相結合無線通信領域雷達領域……

……12345However.

.傳統(tǒng)的MIM

O

技術并不能滿足當代呈指數(shù)上漲的無線數(shù)據(jù)需求，而且面臨著計

算復雜度高，成本高昂的回程鏈路的建設，較高的延時等問題......2010

年底，貝爾實驗室科學家Thomas

L.Marzetta研

究了多小區(qū)、

TDD(time

division

duplexing)情況下，各基站配置無限數(shù)量天

線的極端情況的多用戶

MIMO

技術，提出了大規(guī)模MIMO(MassiveMIMO)的概念，發(fā)現(xiàn)了一些與單小區(qū)、有限數(shù)量天線時的不同特征。Massive

MIMO技

術指基站天線數(shù)目龐大，而用戶終端采用單天線接收的通信方式，可作為目前移動通信系統(tǒng)的一種平滑的過渡方式，

即不必大面積更新用戶的終端設備，通過對基站的改造，提高系統(tǒng)的頻

譜利用率。大

規(guī)

模AAO

的

概

念Marzetta

研究了

一

種時分雙工(Time-DivisionDuplexing,TDD)的傳輸策略，在基站天線數(shù)趨近于無窮時，通常嚴重影響通信系統(tǒng)性能的熱噪聲和不相干的小區(qū)間干擾將可以被忽咯不計，

而且最簡單的波束賦形，

比如最大比合并接收機將會變成最優(yōu)。與以往干擾協(xié)調(diào)不同，

Massive

MIMO不再試圖用協(xié)調(diào)不同的基站來進行合作傳輸?shù)姆椒p小干擾，

而是通過

數(shù)量眾多的天線來早增加有用信號的功率，從而增加信

干

比(SIR),

以此來減少干擾的影響。四一大

規(guī)模

^^

O

的研究方向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),從而實現(xiàn)幾百個天線同時發(fā)數(shù)據(jù)。

室外宏覆蓋天線集中配置的

Aassive

MIMO主要應用場景高層覆蓋室內(nèi)覆蓋研究方向與傳統(tǒng)天線的不同之處優(yōu)先級基站天線架構設計形狀不規(guī)則，呈二維平面/曲面或三維陣列中基站端預編碼需要挖掘新的預編碼算法中基站端信號檢測和基站端信道估計TDD不受影響；FDD需要新的反饋算法中控制信道性能改進控制信道的覆蓋能力遠弱于數(shù)據(jù)信道高規(guī)

模MI

MO

的研究方向在沿用現(xiàn)有的LTE

系

統(tǒng)MAC+PHY

的結構下，

MassiveMIMO

的

物理層研究的方向主要包括：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

。此外，

Massive

MIMO還可以跟其他組網(wǎng)技

術相結

合

，

如LTE

系

統(tǒng)

中

的CoMP

技術等。·●

··綜上所述，在5

G中

，Massive

MIMO是非常關鍵的技術，其核心問題的解決主要在PHY

層和MAC層。五

、

大

規(guī)

模AAD

的

優(yōu)

點●第一，大規(guī)模MIMO

的空間分辨率與現(xiàn)有MIMO

相比顯著增強，能深度挖掘空間維度資源，使得網(wǎng)絡中的多個用戶可以在同一時頻資

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，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.第二，大規(guī)模MIMO

可將波束集中在很窄的范圍內(nèi)，從而大幅度降低干擾.第三，當天線數(shù)量足夠大時，最簡單的線性預編碼和線性檢測器趨于最優(yōu)，并且噪聲和不相關干擾都可忽咯不計.第四，可大幅降低發(fā)射功率，從而提高功率效率.近兩年針對大規(guī)模MIMO

技術的研

究工作

主要集中在信道模型、容量和傳輸技術性能分析、

預編碼技術、信道估計與信號檢測技術等方面但還存在一些問題......大

規(guī)

模AAO

的

缺

陷由于理論建模和實測模型工作較少，還沒有被廣泛認可的信道模型；由于需要利用信道互易性減少信道狀態(tài)信息獲取的開銷，目前的傳輸方案大

都假設采用TDD

系統(tǒng)，用戶都是單天線的，并且其數(shù)量遠小于基站天線數(shù)量.

導頻數(shù)量隨用戶數(shù)量線性增加，開銷較大，信號檢測和預編碼都需要高維矩陣運算，復雜度高，

并且由于需要利用上下行信

道的互易性，難以適應高速移動場景和FDD

系統(tǒng)；在分析信道容量及傳輸方案的性能時，大都假設獨立同分布信道，從而認為導頻

污染是大規(guī)模MIMO

的瓶頸問題，使得分析結果存在明顯的局限性，

等

等值得

一

提的

是

-

-

-

-

-七

、

大

規(guī)

模AMO

的

展

望2014年9月，華為攜手中國移動完成全球首次

a

si

e

IMO多天線解決方案應用于TD-LTE

網(wǎng)示。M中國移動通信

CHINA

MOBILE七、大

規(guī)

模AAD

的

展

望2014年11月，

中興通訊聯(lián)合中國移動完成了全球首個TD-LTE3D/MassiveMIMO

基站的預商用測試。近日新聞報道，2015年3月3日，在巴塞羅那舉辦GTI

的2015年世界移動通信大會上，

中興通訊與中

國移動聯(lián)

合

展

示

了

5G3D/MassiveMIMO預

商

用基站，中興通訊獲得2014年度GTI

“創(chuàng)新解決方案與應用大獎”

。3D/MassiveMIMO是5G的核心技術之一5G的3D/MassiveMIMO

關鍵技術提前引入現(xiàn)網(wǎng)，可以幫助運營商在4G時代占據(jù)5G

先機。七、大

規(guī)

模AIMO

的

展

望目前，學術界關于Massive

MIMO

的研究才剛剛起

步，仍有大量的與之相關的研究方向值得關注

。今后比較有潛力的研究方向包括：1)

如何使用更少的天線數(shù)，

而非無窮多的天線來獲取更高的系統(tǒng)容量；2)

如

何

將Massive

MI