面向5g的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術

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1、面向5G的大規(guī)模天線無線傳輸理論與技術摘要為了滿足2020年無線通信傳輸速率達到現(xiàn)有系統(tǒng)千倍的需求，研究學者已開始了5G移動通信系統(tǒng)的研發(fā)，相比第四代(4G)，第五代(5G)移動通信需要在無線傳輸技術上取得突破性創(chuàng)新,以實現(xiàn)頻譜效率和功率效率提升10倍的目標.其中,進一步挖掘多天線的空間復用能力是實現(xiàn)5G的關鍵途徑，在接入點配置大規(guī)模天線陣列或多個接入點通過光纖互連形成大規(guī)模分布式多輸入多輸出(multiple-inputmultiple-output,MIMO)系統(tǒng)，可以大幅提高系統(tǒng)總的頻譜效率。本文對大規(guī)模MIMO和大規(guī)模分布式MIMO的研究進行了綜述，包括頻譜效率理論分析、信道信息

2、獲取、傳輸理論與技術和資源分配技術。關鍵詞5G大規(guī)模MIMO大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)頻譜效率信道信息獲取多用戶MIMO資源分配1引言近年來,移動數據業(yè)務量幾乎呈指數增長,到2020年將達到當前的千倍.同時,隨著信息技術系統(tǒng)能源消耗所占比例的不斷增加,降低移動通信網絡系統(tǒng)的能耗已逐漸成為移動通信發(fā)展的重要目標.而目前的第四代移動通信系統(tǒng)(fourth-generation,4G),將難以滿足未來移動通信對頻譜效率和能耗效率的需求.這對第五代移動通信系統(tǒng)(fifth-generation,5G)的頻譜效率和能耗效率提出了極大挑戰(zhàn).如何在4G基礎上,將無線移動通信的頻譜效率和功率效率進一步提升一個

3、量級,是5G的核心所在.5G的發(fā)展需要在網絡系統(tǒng)結構、組網技術及無線傳輸技術等方面進行新的變革,從根本上解決移動通信的頻譜有效性和功率有效性問題,實現(xiàn)更高頻譜效率和綠色無線通信的雙重目標.采用多天線發(fā)送和多天線接收(multiple-inputmultiple-output,MIMO)技術是挖掘無線空間維度資源、提高頻譜效率和功效率的基本途徑,近20年來一直是移動通信領域研究開發(fā)的主流技術之一.MIMO技術可以提供分集增益、復用增益和功率增益.分集增益可以提高系統(tǒng)的可靠性,復用增益可以支持單用戶的空間復用和多用戶的空分復用,而功率增益可以通過波束成形提高系統(tǒng)的功率效率.目前,MIMO技術

4、已經被LTE(longtermevolution,LTE),IEEE802.11ac等無線通信標準所采納.但是,現(xiàn)有4G系統(tǒng)基站配置天線的數目較少,空間分辨率低,性能增益仍然有限.并且在現(xiàn)有系統(tǒng)配置下,逼近多用戶MIMO容量的傳輸方法復雜度仍然較高.分布式天線系統(tǒng)是挖掘空間維度資源的另外一種途徑[5].在分布式天線系統(tǒng)中,處于同地理位置的配備多天線的節(jié)點,通過高速回程鏈路連接到基帶處理單元,進而在同一時頻資源上協(xié)作完成與單個或多個移動通信終端的通信.分布式天線系統(tǒng)中,多個節(jié)點與用戶之間形成分布式MIMO信道,通過節(jié)點間的協(xié)作,形成協(xié)作MIMO.協(xié)作MIMO不僅可以獲得MIMO的3種增益,

5、并且可以額外獲得宏分集以及由于路徑損耗降低而帶來的功率增益[6～8].同樣,受限于現(xiàn)有標準中節(jié)點天線的配置個數,協(xié)作MIMO的性能增益受到限制.為了適應移動數據業(yè)務量密集化趨勢,突破現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)的局限,研究者們提出在熱點覆蓋區(qū)域顯著增加協(xié)作節(jié)點或小區(qū)的個數[9,10],或在各節(jié)點以大規(guī)模陣列天線替代目前采用的多天線[4],由此形成大規(guī)模協(xié)作無線通信環(huán)境(如圖1所示),從而深度挖掘利用無線空間維度資源,解決未來移動通信的頻譜效率問題及功率效率問題.大規(guī)模天線系統(tǒng)的基本特征是:在基站覆蓋區(qū)域內配置數十根甚至數百根以上天線,較4G系統(tǒng)中的4(或8)根天線數增加一個量級以上.這些天線可分散在小區(qū)

6、內(稱為大規(guī)模分布式MIMO,即Large-scaleDistributedMIMO),或以大規(guī)模天線陣列方式集中放置(稱為大規(guī)模MIMO,即MassiveMIMO),如圖1所示.理論研究及初步性能評估結果表明[4,10],隨著基站天線個數(或分布式節(jié)點總天線數目)趨于無窮大,多用戶信道間將趨于正交.這種情況下,Gauss噪聲以及互不相關的小區(qū)間干擾將趨于消失,而用戶發(fā)送功率可以任意低.此時,單個用戶的容量僅受限于其他小區(qū)中采用相同導頻序列的用戶的干擾.大規(guī)模MIMO和大規(guī)模分布式MIMO的出發(fā)點是一致的,即通過顯著增加基站側配天線的個數,以深度挖掘無線空間維度資源,顯著提升頻譜效率和功

7、率效率,因而它們所涉及的基本通信問題4中國科學:信息科學第46卷第1期也是一致的1).節(jié)點個數、節(jié)點配備的天線數目以及空分用戶數的大規(guī)模增加,使得從傳統(tǒng)MIMO及協(xié)作MIMO到大規(guī)模天線系統(tǒng)的演變,是一個從量變到質變的過程.因此,大規(guī)模天線系統(tǒng)的無線通信理論方法研究與傳統(tǒng)MIMO系統(tǒng)也存在較大的差異.這也為研究者們提出了新的更具挑戰(zhàn)性的基礎理論和關鍵技術問題,包括大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量分析、信道信息獲取、無線傳輸技術資源分配技術等.本