5G背景下大规模MIMO技术的挑战与应用

5G背景下大规模 MIMO技术的挑战与应用

闫富强

电子科技大学

摘要：大规模多输入多输出（MIMO）天线阵列作为第五代（5G）及更高级别移动通信系统的关键技术之一，是当前时代研究的主要课题，这需要在实际实施中克服重大挑战。在本文中，我们分别讨论了5G背景下大规模MIMIO技术的发展方向、面临的挑战以及重点应用领域。

关键词：大规模MIMO 5G

1 前言

目前，大规模MIMO是无线通信研究中一个热点概念，有望解决5G系统所需的大规模容量需求。在大规模MIMO中，基站通常配备大量天线，这些天线以完全相干和自适应的方式工作，以服务于多个用户设备，每个设备配备一个或多个天线。额外的天线有助于将信号能量的传输和接收集中到更小的空间区域，从而极大地提高吞吐量和能效。随着毫米波通信的出现，大规模的MIMO天线部署变得切实可行这将允许在相对较小的区域放置大量天线。大规模的MIMO天线确实可以在5G通信的几个方面发挥重要作用^[1]。

2 5G背景下大规模MIMO技术发展方向

2.1 天线配置

由于天线数量多、距离近、工作模式多，在大规模MIMO系统中对天线的设计提出了严格的要求。放置天线的阵列配置及其各自的模式如图1所示。平面阵列。相互耦合对系统的性能都有影响。因此，应研究和分析用于5G大规模MIMO方案的天线配置。例如，可以研究矩形、圆形和圆柱形阵列配置的元素数量、产生的方向图波束宽度、增益、互耦及其对覆盖、接收信号强度和信道容量的影响。可以对6GHz、27-28GHz和60-70GHz频段中的一个或多个频段进行研究。可以使用几种天线单元类型，例如偶极子、喇叭天线和印刷天线。 然而，随着5G毫米波通信的出现，堆叠大量小天线单元以形成具有合理尺寸的巨大阵列获得了实际可行性和越来越多的研究兴趣。因此，在毫米波大规模MIMO场景中，构建和研究具有大量单元的圆柱阵列和平面阵列将是一件有趣的事情。此外，要同时为多个MIMO天线阵提供服务，尤其是在多波束天线阵的复杂度方面，不需要忽视。

2.2 回程通信

大规模MIMO可用于确保两个蜂窝基站之间的可靠高速通信。这可以被视为有线光纤通信或微波链路的替代品，甚至可以在存在这些连接的情况下作为备用通信链路。由于蜂窝基站位置是已知的，因此可以将每个蜂窝基站处的高定向大规模MIMO阵列的天线波束彼此指向。发射和接收阵列的大天线增益将导致高数据速率回程通信，能够应对5G蜂窝系统的严格要求。

应该注意的是，这些回程连接不一定要链接相同类型的两个基站，例如两个宏基站。它们可用于将两个微型、微微或任何类型的小蜂窝基站连接在一起。此外，它们还可以在异构网络框架中用于连接不同类型的蜂窝基站。人们可以设想在飞秒、微微、微和宏基站之间进行回程通信的各种分层组合。因此，动态选择每个传输方向的天线单元数量、每个单元的发射功率以及分层回程网络的结构为广泛的优化问题敞开了大门。

2.3用户访问

大规模MIMO也可用于蜂窝基站和5G网络中的用户之间的通信。蜂窝基站处大量天线的存在允许实施有效的波束形成技术，将天线阵列的波束指向每个用户。由于具有高定向波束和低副瓣电平，每个用户将与基站建立几乎无干扰的通信链路。这将使5G蜂窝系统即使在有多个用户连接到网络的情况下也能达到极高的数据速率。这种性能可以通过使用移动设备上的多个天线进一步增强。此外，当移动设备上有大量天线可用时，可以在蜂窝基站和用户设备上应用大规模MIMO技术，这将带来更多收益。

3 5G背景下大规模MIMO技术面临的挑战

为更好的为5G服务，大规模MIMO在技术层面需要重点解决一些问题，主要包括以下几个方面：

不准确的位置估计：为了执行有效的波束形成，需要准确地定位基站和用户之间的最佳信号路径。

不准确的信道状态信息反馈/反馈开销：用户和BSs之间的CSI反馈可能存在不准确。此外，如果BS处的不同天线与用户设备处的天线之间的信道显著不同，则可能需要较大的反馈开销。

快速移动用户情况下的动态波束控制：高速移动的用户可能很难跟踪，并且在给定速度下所需的反馈可能会太慢，这会影响MIMO性能。

多个用户位于同一传输方向：在这种情况下，指向不同用户的波束可能重叠。一个可能的解决方案是为具有重叠波束的用户专用正交子信道。

所以，应在与大规模MIMO相关的研究活动中评估上述问题对系统性能的影响。

4 5G背景下大规模MIMO技术的应用

大规模MIMO技术的应用主要集中在以下几个热门领域中：

物联网：5G网络需要物联网部署的大量设备提供服务。这些大多是需要低数据速率的传感器设备，但它们的数量巨大，给网络连接带来了挑战性的问题。在这种情况下，大规模MIMO技术可以在确保适当的RRM方面发挥重要作用。

车辆网：在车辆网络的场景中，不同的车辆可以配备大量的MIMO阵列，以在智能交通系统中执行高效的车对车通信。这种通信也可以发生在车辆和基础设施之间，大规模MIMO的使用将允许车辆之间更快地交换大量数据，同时减少对相邻车辆的干扰。

铁路网：火车按照已知的时间表以已知的速度沿着已知的轨道行驶。因此，覆盖铁路轨道的蜂窝网络可以受益于大规模MIMO技术，以便以极高的数据速率传输高速列车。

公共安全网：大规模MIMO阵列可用于安全可靠地向事故现场的大量公共安全人员传输信息。消防部门的车辆可以使用它与大楼内的消防员进行通信，警车可以使用它与闯入人质事件区域的警察进行通信，直升机可以在灾难情况下向地面小组发送信号等。

媒体通信：可以考虑在网络中实时视频流或IP语音期间的服务质量（QoS）和体验质量（QoE）。大规模MIMO阵列在增强大量连接到网络的用户的QoS/QoE方面的作用将是一个有趣的研究课题。

5 结语

在移动通信技术发展的今天，基于对高速移动数据的需求日益强烈，对趋于饱和频谱资源的充分利用，大规模MIMO技术无疑是这些问题的最佳解决方案，必将成为5G网络中的核心组成部分，通过大规模MIMO技术的广泛应用，一定可以能够容纳更多的用户且具有更高的可靠性，未来的5G网络一定会变得更快。

参考文献

[1] E. G. Larsson, "Massive MIMO for 5G: Overview and the road ahead," 2017 51st Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS), 2017, pp. 1-1, doi: 10.1109/CISS.2017.7926182.