从MIMO系统中分析5G通讯技术

　　福州寰宇鸿通通讯信息有限公司 洪承化

　　摘要:信道是无线通信的基础,对信道的理解越深,所做的编码、调制的效率就越高,会越逼近香农定理的理论线,而多通道的通信制式使信道变得十分复杂。”“5G研究中规定了许多新的场景,包括高速移动的高铁、地铁,大型体育场馆以及人流密集的集会场所等,这些场景复杂、具备挑战性,需要用MIMO 支撑可靠的通信,而对多通道信道的理解如果只是通过理论推导而没有实测数据,是无法走向真正商用的,因为终端或者基站设备要在实验中进行验证,实测验证之后,我们对多通道通信信道的理解将提升到新的高度,也才能有信心推到商用中。”

　　关键词:MIMO系统  5G通信技术  信道

　　5G的主要需求之一是,与目前的长期演进(LTE)相比,支持1000倍的更大容量,但是与当今蜂窝系统有相似的成本和能量损耗。并行八通道的信道测试平台前后经历了两年主要解决了四个挑战。

　　一是多通道校准的挑战。与单通道不同,如何保持多通道中每个通道的一致性是业界碰到的共同难题。哪怕是同一家公司生产出来的产品,八个通道之间由于硬件的微小差异,常常导致不同信道的差别,只有将硬件差别产生的信道区别提前剔除,得到的数据才会是空间信道的数据,所以多通道的校准是第一个挑战。

　　二是8通道“接收”、“发射”两端同步的挑战。测试中要保证所有的信号要同时发出,在接收端是同时收到。因为天线之间的距离是厘米级的,信号传到的时间差在100皮秒以内。所以只有同步精度低于100皮秒,才能区分出同样一个信号到达不同天线的时间,同步精度要求非常高。

　　三是测试数据存储的挑战。8通道有8个发射端和8个接收端,每个发射端对8个接收端,形成矩阵式的收发,实测中会产生64路数据。因此64路数据的同时存储和运算量非常大。

　　四是矩阵运算的挑战。因为从单通道的1×1变成8通道的8×8,矩阵数据使运算量大幅飚升,所以需要一个并行的后处理软件。

　　此外,如果同时增加对系统容量有贡献的所有三个因素:更多频谱,每个区域更大数量的基站,以及每个小区的频谱效率的提高,则容量将增加。大规模多输入多输出(MIMO)系统对上面提到的最后一个因素起了关键作用,因为它大大提高了每个小区的频谱效率。大规模MIMO系统通常被定义为至少在无线通信链路的一侧[通常在基站(BS)侧]使用大量(100或更多)可单独控制的天线元件的系统。大规模MIMO网络利用天线提供的空间自由度(DoF),以在相同的时间——频率资源(称为空间复用)上为多个用户复用消息,将辐射的信号聚焦到目的用户,并且最小化区内和小区间干扰。通过从多个天线点发射相同的信号但是对于每个施加不同的相移(并且可能针对系统带宽的不同部分可能有不同的相移),这种可以在特定方向上对辐射信号进行聚焦,如信号在预期目标位置处相干地重叠。注意,在本章的剩余部分中,当对各个发射天线在整个系统带宽上应用相同的相移时使用术语波束成形,而当对系统带宽的不同部分应用不同的相移处理小规模衰落效应时,如通过在频域中应用相移,使用术语预编码。利用该定义,波束成形可以被看作是预编码算法的子集。不管是应用预编码还是波束成形,在接受点获得信号的相干重叠的增益通常被称为阵列增益。

　　除了用于接入链路之外,大规模MIMO还可以在多Gbits回城链路方面发挥关键作用,这些回程链路可以部署在频分以及时分双工(FDD/TDD)系统中的基础设施节点之间。

　　虽然雷达系统中的大型天线阵列自20世纪60年代后期开始广泛使用,但是最近才考虑到大规模MIMO系统的商业部署,即用于移动通信系统的接入和回程。特别地,最近的研究和实际的实验已经指出了必须克服的关键挑战,可以实现大规模MIMO在蜂窝通信中的潜在益处,这些将在后续中列出。

　　由于在发射机侧需要准确的信道状态信息(CSI),这是其中一个最严重的挑战。原则上,可以通过从每个天线元件发射正交导频信号(也称为参考信号)以及从接收机到发射机反馈观察到的空间信道,来获得CSI。该方法具有以下缺点:所需的CSI的导频信号开销随着发射天线的数目线性增长。在发射机获得CSI的另一个选项是利用信道互异性,例如在TDD系统中是可能的。使用互异性的成本是其需要进行阵列校准以便考虑不同的天线元件的发射/接受射频(RF)链中的差异。在时变信道中,导频传输、信道估计、信道反馈、波束成型器计算与实际波束形成的数据传输之间的延迟将降低大规模MIMO的性能。幸运的是,可以使用信道预测技术来减少这种延迟。

　　另一个挑战是大规模MIMO对多小区多层网络设计的影响。其中一个问题是导频污染的影响。在多天线系统中分配给导频信号和数据传输的时间、频率、码、空间和功率资源之间的权衡是众所周知的。在多校区多用户大规模MIMO系统中,导频数据资源分配权衡与导频和数据信号上的小区间干扰(也称为污染)的管理相互缠绕,并且要求重新思考在传统系统中的导频信号设计,如第三代合作计划(3GPP)LTE系统。最近的工作为多小区大规模MU-MIMO系统中的导频和数据信道的联合设计提供了宝贵的见解。

　　此外,由于天线列阵的大小,小小区的超密集部署而在网络中利用大规模MIMO可能在实践中时困难的。对更高的频率,例如毫米波(mmW),这不是一个问题。一种方法是在宏基站侧部署大规模MIMO,在宏小区和小小区之间的同信道部署的情况下,并利用空间自由度(DOF)降低宏小区和小小区之间的一种方法是考虑在小小区侧部署大规模MIMO,特别是在高频系统中,其中小天线尺寸允许根据实际部署大规模天线阵列。

　　基于上述一般观察,目前很多研究机构正在研究不同的技术解决方案,其目的是释放有希望的潜力,并且使得能够有效地使用5G中的大规模MIMO。

　　参考文献:

　　[1]尤肖虎,潘志文,高西奇,等.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国科学:信息科学,2012<5):551-563.

　　[2]卓业映,陈建民,王锐.5G移动通信发展趋势与若干关键技术[J].中国新通信,2015<8):13-12.

　　[3]董超.面向 5G 网络的 OFDM 自适应比特分配算法的研究[D].哈尔滨工业大学,2016.

　　[4]万娇.面向 5G 移动通信系统的 MIMO-SCMA 技术仿真研究[D].西南交通大学,2017.

　　[5]梁天.协作中继通信系统中的资源分配及物理层网络编码问题研究[D].东南大学,2016.

　　[6]黄维辰.面向下一代移动通信系统的多通道射频收发信机以及频率源的研究[D].东南大学,2017.

　　[7]王鹏.4G未来5G已来:传输速率较4G高百倍网络容量高千倍[EB/ OL] .

　　[9]李明.5G演进路标初定:预计2020 年实现商用速率高于1OGbit/spEB/OL] .

　　[9]翟冠楠,李昭勇.5G无线通信技术概念及相关应用[J ].电信网技术, 2O13.9(O9):1—6 .

　　[10]赵国锋,陈婧,韩远兵,等.5G移动通信网络关键技术综述[J].重庆邮电大学学报(自然科学版),2015,27(4):441-452.