面向5g的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)

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1、面向5G的大規(guī)模天線無(wú)線傳輸理論與技術(shù)摘要為了滿足2020年無(wú)線通信傳輸速率達(dá)到現(xiàn)有系統(tǒng)千倍的需求，研究學(xué)者已開始了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的研發(fā)，相比第四代(4G)，第五代(5G)移動(dòng)通信需要在無(wú)線傳輸技術(shù)上取得突破性創(chuàng)新,以實(shí)現(xiàn)頻譜效率和功率效率提升10倍的目標(biāo).其中,進(jìn)一步挖掘多天線的空間復(fù)用能力是實(shí)現(xiàn)5G的關(guān)鍵途徑，在接入點(diǎn)配置大規(guī)模天線陣列或多個(gè)接入點(diǎn)通過(guò)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(duì)大規(guī)模MIMO和大規(guī)模分布式MIMO的研究進(jìn)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(shù)和資源分配技術(shù)。關(guān)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(lái),移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量幾乎呈指數(shù)增長(zhǎng),到2020年將達(dá)到當(dāng)前的千倍.同時(shí),隨著信息技術(shù)系統(tǒng)能源消耗所占比例的不斷增加,降低移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的能耗已逐漸成為移動(dòng)通信發(fā)展的重要目標(biāo).而目前的第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(fourth-generation,4G),將難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信對(duì)頻譜效率和能耗效率的需求.這對(duì)第五代移動(dòng)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(chǔ)上,將無(wú)線移動(dòng)通信的頻譜效率和功率效率進(jìn)一步提升一個(gè)

3、量級(jí),是5G的核心所在.5G的發(fā)展需要在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)技術(shù)及無(wú)線傳輸技術(shù)等方面進(jìn)行新的變革,從根本上解決移動(dòng)通信的頻譜有效性和功率有效性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)更高頻譜效率和綠色無(wú)線通信的雙重目標(biāo).采用多天線發(fā)送和多天線接收(multiple-inputmultiple-output,MIMO)技術(shù)是挖掘無(wú)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(lái)一直是移動(dòng)通信領(lǐng)域研究開發(fā)的主流技術(shù)之一.MIMO技術(shù)可以提供分集增益、復(fù)用增益和功率增益.分集增益可以提高系統(tǒng)的可靠性,復(fù)用增益可以支持單用戶的空間復(fù)用和多用戶的空分復(fù)用,而功率增益可以通過(guò)波束成形提高系統(tǒng)的功率效率.目前,MIMO技術(shù)

4、已經(jīng)被LTE(longtermevolution,LTE),IEEE802.11ac等無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)所采納.但是,現(xiàn)有4G系統(tǒng)基站配置天線的數(shù)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(fù)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(diǎn),通過(guò)高速回程鏈路連接到基帶處理單元,進(jìn)而在同一時(shí)頻資源上協(xié)作完成與單個(gè)或多個(gè)移動(dòng)通信終端的通信.分布式天線系統(tǒng)中,多個(gè)節(jié)點(diǎn)與用戶之間形成分布式MIMO信道,通過(guò)節(jié)點(diǎn)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(lái)的功率增益[6～8].同樣,受限于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中節(jié)點(diǎn)天線的配置個(gè)數(shù),協(xié)作MIMO的性能增益受到限制.為了適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量密集化趨勢(shì),突破現(xiàn)有蜂窩系統(tǒng)的局限,研究者們提出在熱點(diǎn)覆蓋區(qū)域顯著增加協(xié)作節(jié)點(diǎn)或小區(qū)的個(gè)數(shù)[9,10],或在各節(jié)點(diǎn)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(wú)線通信環(huán)境(如圖1所示),從而深度挖掘利用無(wú)線空間維度資源,解決未來(lái)移動(dòng)通信的頻譜效率問(wèn)題及功率效率問(wèn)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(nèi)配置數(shù)十根甚至數(shù)百根以上天線,較4G系統(tǒng)中的4(或8)根天線數(shù)增加一個(gè)量級(jí)以上.這些天線可分散在小區(qū)

6、內(nèi)(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(píng)估結(jié)果表明[4,10],隨著基站天線個(gè)數(shù)(或分布式節(jié)點(diǎn)總天線數(shù)目)趨于無(wú)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(guān)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(shí),單個(gè)用戶的容量?jī)H受限于其他小區(qū)中采用相同導(dǎo)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(diǎn)是一致的,即通過(guò)顯著增加基站側(cè)配天線的個(gè)數(shù),以深度挖掘無(wú)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(wèn)題4中國(guó)科學(xué):信息科學(xué)第46卷第1期也是一致的1).節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、節(jié)點(diǎn)配備的天線數(shù)目以及空分用戶數(shù)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(gè)從量變到質(zhì)變的過(guò)程.因此,大規(guī)模天線系統(tǒng)的無(wú)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(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,包括大規(guī)模天線系統(tǒng)的容量分析、信道信息獲取、無(wú)線傳輸技術(shù)資源分配技術(shù)等.本