大规模MIMO在5G通信系统中的应用.doc

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1、大规模MIMO在5G通信系统中的应用作者：杨亚男来源：《科学与财富》2019年第10期        摘要：大规模MIMO系统在能源效率、频谱效率、鲁棒性和可靠性方面有着巨大的优势。它允许在基站和移动终端使用低成本的硬件，可以使容量增加的同时提高辐射能量效率，显著降低在空中接口上延迟。但也存在一些现实的限制因素，包括信道的互惠性，导频污染问题以及无线传输和信道特性。本文介绍了实现该技术的全部潜力和面临的挑战，例如，导频污染、计算复杂度、低成本硬件的问题以及分布式处理算法的实现问题。大规模MIMO系统的信号处理方法不需要再采用复杂的非线性设计来避免干扰，而只需要简单的线性设计即

2、可实现较好的系统性能。比如在预编码方法研究方面：传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如DPC（dirty-papercoding，脏纸），而大规模MIMO中一般采用线性预编码，比如MRT（最大比发送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方误差）。        关键词：大规模MIMO；导频污染；信道特性；空中接口；部署方案        第一章绪论        1.15G通信的特性        蜂窝网络的发展主要受无线用户设备的持续增长，数据使用量，以及对更好的体验质量的需求的影响。预计到2020年底，将有超过500亿个连接设备使用蜂窝网络服务，与2014年相比，

3、这将导致数据流量的巨大增长。但是，最新的解决方案不足以应对上述挑战。总而言之，3D（Device、Data、Data传输速率）的增加促进了5G网络的发展，具体来说，蜂窝网络的第五代（5G）将突出并解决三个广泛的观点，如：以用户为中心、以服务提供商为中心、以网络运营商为中心        1.2目前移动通信的局限性        4G网络不足以支持具有低延迟和显着频谱效率的大规模连接设备。        不支持突发数据流量：有些移动应用程序会发送心跳消息到服务器，有时会在很短的时间内请求非常高的数据传输速率。这种类型的数据传输更多地消耗了（移动）用户设备（UE）的电池寿命，同时

4、增加网络中的突发数据，可能造成核心网络崩溃。        基站处理能力的低效利用率：在当前的蜂窝网络中，基站（BS）的处理能力只能由其关联的UE使用，并且它们被设计为支持峰值时间业务。然而，当轻载时，BS的处理能力可以在大的地理区域上共享，网络的总成本增加。        1.35G通信无线传输的关键技术        一个就是多址，多址技术指的是解决多个用户同时和基站通信的问题，怎么来分享资源的技术，第一代通信采用的是FDMA技术，第二代通信采用的是TDMA技术，第三代通信采用的是CDMA技术，第四代通信采用的是OFDMA技术。        另一项关键技术就是多天线，现

5、在比较火的是MIMO技术，大规模MIMO技术不仅能够在不增加频谱资源的情况下降低发射功率、减小小区内以及小区间干扰，还能实现频谱效率和功率效率在4G的基础上再提升一个量级。此外，射频调制解调技术也属于关键技术。        1.4大规模MIMO的简介        5G（后4G）时代，小区越来越密集，对容量、耗能和业务的需求越来越高，现有4G蜂窝网络的多天线技术（8端口MU-MIMO、CoMP）很难满足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大规模天线阵列（比如数百个天线或更多）可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统（Larg

6、eScaleAntennaSystem，或称为MassiveMIMO）。        关于大规模MIMO，我们考虑使用上百根的天线阵列在同一时域资源中同时服务数十个终端设备。大规模MIMO的基本前提是获得传统MIMO的所有优点，但规模更大。总的来说，大规模的MIMO是未来宽带（固定和移动）网络发展的推动力，大规模MIMO系统所使用的实际天线阵列不同的配置和部署方案。        第二章大规模MIMO的潜力        2.1增加系统容量和辐射能量效率        大规模MIMO可以使容量增加10倍以上，同时提高100倍的辐射能量效率。容量增加是由于大规模MIMO中采用

7、了空间复用技术。能量效率显著提高是因为随着大量的天线，能量可以聚焦于空间的小区域。        最大比合并（MRC）与ZF相比，其吸引力不仅在于它的计算简单性（接收信号的共轭和信道响应相乘），而且还可以独立地在每个天线单元上以分布式方式执行。        2.2显著降低在空中接口上延迟        无线通信系统的性能通常受到衰落的限制。衰落使接收信号强度在某一时间内变得非常小。信号从基站通过多径信道到达终端时衰落，这些衰落是由多径信道的干涉引起的。正是这种衰落使得构建低延迟无线链路变得困难。如果终