Chapter 1 MIMO無線通信系統發展

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本系列文章均摘錄自《大規模MIMO傳輸理論與關鍵技術》！

Chapter 1 MIMO無線通信系統發展

1.1 MIMO無線通信系統發展簡史

​傳統無線通信系統中，接收端和發射端通常都採用單天線形式，稱爲單輸入單輸出（Single Input Single Output，SISO）系統。SISO系統的信道容量可以表示爲：$C=Wlog_2(1+S/N)$,其中$W$和$S/N$分別表示信道帶寬和接收信噪比。該式給出了系統在加性高斯白噪聲信道中進行無差錯傳輸的最大速率。此時，無論運用什麼樣的信道編碼方法和調製方案，只能逼近系統容量C而無法超越它。因此系統容量是一個不可逾越的上界，這也成爲了現代通信系統的一個瓶頸問題。

天線分集：對抗多徑效應、提高鏈路的穩定性等性能。

多輸入多輸出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技術已成爲第四代（4th Generation，4G）移動通信系統中的關鍵技術，其基本原理是在無線通信的發送端和接收端同時採用多個發送天線或接收天線，發送機利用多個天線進行獨立傳輸，而接收機則利用多個天線來恢復原始信息。MIMO技術源於智能天線和分集技術，是單入多出（SIMO）和多入單出（MISO）技術的結合，其能夠充分利用空間資源以及多徑傳播特性，在不增加頻譜資源和發射功率的前提下，通過先進的無線傳輸和信號處理技術，建立並行傳輸機制，從而成倍地提升信道容量。

MIMO系統的接收/發送算法——貝爾實驗室空時分層碼（Bell Labs Layered Space-Time，BLAST）算法 $\stackrel{furthermore}{\Longrightarrow}$ 垂直貝爾實驗室空時分層碼（Vertical Bell Labs Layered Space-Time，V-BLAST）算法 $\Longrightarrow$ 建立了一套MIMO實驗室系統，在室內實驗時達到了20b/s/Hz的頻譜利用率。

MIMO的空間分集技術主要指的是空時編碼技術，其中最重要的兩種空時編碼方法是空時格形碼（Space Time Trellis Coding，STTC）和空時分組碼（Space Time Block Coding，STBC）。

MIMO系統的空間複用技術保證了通信系統的有效性，發射分集技術提高了通信系統的可靠性。

1.2 大規模MIMO系統特徵及當前研究進展

1.2.1 大規模MIMO系統研究需求

5G移動通信需要在參考信號設計、信道設計、信道信息反饋、多用戶調度機制以及基帶處理算法等方面進行改進和優化，以支持大規模天線技術的應用。

1.2.2 基本原理及系統特徵

基本特徵：大規模MIMO系統在基站覆蓋區域內配置數十根甚至數百根天線，較4G系統中的4（或8）根天線數增加一個量級以上，這些天線以大規模陣列方式集中放置；分佈在基站覆蓋區內的多個用戶，在同一時頻資源上，利用基站大規模天線配置所提供的空間自由度，與基站同時進行通信，提升頻譜資源在多個用戶之間的複用能力、各個用戶鏈路的頻譜效率以及抵抗小區間干擾的能力，由此大幅提升頻譜資源的整體利用率；與此同時，利用基站大規模天線配置所提供的分集增益和陣列增益，每個用戶與基站之間通信的功率效率也可以得到進一步顯著提升。

大規模MIMO系統的應用將在系統容量、信號處理算法、節能、硬件實現、系統時延及可靠性等方面帶來諸多好處，具體可以總結爲以下幾點：

（1）大規模MIMO系統可提升系統容量10倍以上，同時提升能量效率100倍以上。

（2）由於用戶間信道趨近正交，大規模MIMO系統中的多種線性MIMO空間處理方法［包括MRC/MRT，迫零（Zero Forcing，ZF），最小均方誤差（Minimum Mean Square Error，MMSE）］的性能趨於一致，採用最簡單的線性處理方法就可以達到良好性能，從而大大降低了大規模天線帶來的基帶信號處理的複雜度，使得現有基帶芯片可以有能力去實時處理幾百個天線單元採集的信號。

（3）大規模MIMO技術可大幅度降低基站的功耗和成本，使其商用化成爲可能。

（4）大規模MIMO可以減少空間延時。

（5）大規模MIMO可增強系統魯棒性。

（6）當多天線系統趨於大型化時，一些基本的系統特性也將會發生變化。首先，隨機矩陣理論的漸近性將會更加明顯。傳統多天線系統中的隨機性將在大規模MIMO系統中變得確定。此外，高矩陣或扁矩陣的條件數（最大奇異值與最小奇異值之比）將得到大大改善。當維數較大時，一些矩陣操作，如矩陣求逆等，都可以通過級數展開等技術得以快速實現。隨着多天線系統維度的增加，系統熱噪聲將被平均掉，從而系統將主要受限於來自終端間的干擾。其次，隨着陣列孔徑的增加，系統的分辨率將會大大提升。陣列的通信性能對傳播信道實際統計特性的依賴將逐漸減弱，轉而更加依賴於信道的聚集特性。大規模MIMO系統能夠同時服務的終端數量不再受限於天線的個數，而是受限於終端數量較大時信道狀態信息獲取的能力。

1.2.3 主要研究內容

主要研究內容：1.應用場景建模與信道建模；2.傳輸與檢測技術；3.信道狀態信息測量與反饋技術；4.覆蓋增強技術以及高速移動解決方案；5.多用戶調度與資源管理技術；6.大規模有源陣列天線技術。

1.2.4 研究現狀

1.3 MIMO無線衰落信道的基本特徵

通過無線信道傳播的信號會沿着大量不同的路徑到達目的地，這些不同路徑稱爲多徑。信號在無線信道傳播過程中的強度改變稱爲衰落，信號的衰落取決於傳輸信號的性質以及多徑信道的統計特性，包含路徑損耗、大尺度衰落、小尺度衰落。

路徑損耗和大尺度衰落隻影響鏈路的預算和平均的接收信號信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），可以通過閉環的反饋和調整發射機的發射功率來克服。但是，小尺度衰落使得接收信號形成快速的波動，因此調整發射機的發射功率並沒有多少作用。小尺度衰落直接影響系統的性能（比如容量、錯誤概率等），緩解小尺度衰落的有效方法就是採用分集技術（時間分集、頻率分集和空間分集）。

MIMO技術通過空間複用、傳輸分集、波束成形3種技術來提高頻譜利用率和信號傳輸質量。波束成形技術要求發射機知道信道狀態信息，而空間複用和空間分集技術則沒有這一要求。

假設發送端有$N_t$根天線，接收端有$N_r$根天線，則它們之間的信道矩陣包含${N_r\times N_t}$條路徑，對於時不變窄帶平坦衰落MIMO系統來說，有如下模型：
$\boldsymbol y=\boldsymbol H\boldsymbol x+\boldsymbol n \tag{1.2}$

其中，$\boldsymbol y$是$N_r\times 1$的接收信號向量，$\boldsymbol x$是$N_t\times 1$的發送信號向量，$\boldsymbol H$是${N_r\times N}_t$的信道傳播矩陣，並且是一個確定性的、在一個相干時間間隔內都保持不變的矩陣，$\boldsymbol{n}$是$N_r\times 1$的高斯白噪聲向量，其元素是均值爲0、方差爲1的獨立同分布覆高斯變量。

MIMO系統工作流程如下：發射數據流$\boldsymbol s$經過空時編碼、數模轉換和模擬模塊處理，被分離爲$N_t$路子數據流，以相同的頻率分別經過$N_t$根發射天線同時發射出去。發射的信號經過無線信道的反射、散射等傳播，這些並行子信號經過不同的路徑在不同的時刻到達接收機，由$N_r$根天線接收。接收機採用先進的信號處理技術，對各個天線接收到的信號進行聯合處理，從而恢復出原始數據流。

1.4 大規模MIMO信道特點

1.4.1 大規模MIMO信道的最佳傳播條件

大規模MIMO系統中無線信道的一個關鍵特性就是終端信道之間的相互正交性，稱爲信道的最佳傳播條件。在最佳傳播條件下，可以通過簡單的線性處理技術獲得最佳的系統性能。

實際中上述條件很難完全成立，只能近似獲得，這時稱信道提供了近似最佳的傳播條件；或者當天線數$M$增大且$k\neq j$時，若

$\frac{1}{M}g_j^Hg_k\rightarrow0,\ M\rightarrow\infty \tag{1.18}$

則稱信道是漸近最佳的。實際中若要判斷信道是否是最佳的，一個有效的指標就是信道的條件數，即矩陣$G^HG$最小和最大奇異值的比值。

考慮大規模MIMO系統下的兩種信道模型，即獨立同分布的瑞利衰落模型和隨機均勻分佈的視距傳播模型。這兩種模型分別對應着兩種極端情形：豐富散射場景和無散射場景。文獻[24]分析了大規模系統在這兩種信道模型下的信道狀況，並指出獨立同分布的瑞利衰落信道和隨機均勻分佈的視距傳播信道都能提供漸近最佳的傳播條件。獨立同分布的瑞利衰落信道的奇異值很好地分佈於其最大值和最小值之間，視距傳播信道的奇異值則多集中於其最大奇異值附近並只有少量很小的奇異值。因此，在均勻分佈的視距傳播模型中如果選擇性地丟棄少量終端用戶，那麼信道傳播條件將近似最佳。實際應用場景往往介於上述兩種模型之間，因而可以合理推測：在大多數實際環境中，信道的傳播條件都是漸近最佳的。

1.4.2 大規模MIMO信道的非平穩性

一些文獻實測了大規模MIMO系統的室外無線信道特徵。根據實測數據，對典型的信道參數，包括功率時延分佈、功率角度時延譜、功率角度譜、功率時延譜以及角度擴展和時延擴展等都進行了分析。所有實測結果都表明，不同於傳統MIMO系統，大規模MIMO信道在時延域和空間域上都呈現出非平穩特徵。

信道的非平穩性意味着在大規模陣列範圍內信道的統計特性將會發生變化，陣列將經歷大尺度衰落。對單用戶而言，信道不再是獨立同分布的隨機向量。不同用戶的接收功率水平也將會有較大的差異。

1.4.3 大規模MIMO陣列組態及球面波前

大規模MIMO系統中天線陣列的組態通常包括線陣、面陣、圓柱形陣列等。不同陣列組態決定了陣列的孔徑和分辨力。

當大規模天線以線陣形式放置時，其將擁有最大的空間角度分辨力，但其只能用於一維平面，無法同時得到用戶信道的俯仰角信息，同時天線數量的增加將使得線陣的尺寸變得非常大。另一方面，當天線陣列以面陣、圓柱等2D/3D結構佈置時，可以有效地控制陣列的物理尺寸，並使陣列具備同時分辨水平角和仰角的能力，便於大規模系統的空間複用。然而，2D/3D等形式的陣列密集部署將顯著增加天線之間的耦合。對於平面方陣，每個天線陣元周圍將存在4個鄰接陣元，而在3D陣列中則會有6個。天線元素間隔的減小將進一步增加相互之間的耦合，因此爲了獲得良好的系統性能，耦合補償或消除將變得不可避免。

大規模MIMO系統中天線陣列的組態對系統分辨力、天線耦合等都有着重要的影響，需要根據實際需求進一步深入研究。

1.4.4 大規模MIMO用戶信道建模

在最佳傳播條件下，用戶信道之間漸近正交。而在實際大規模MIMO系統的很多情況下用戶信道之間往往會遭受強相關的影響。面對信道相關的場景，考慮到信道環境的非平穩性，標準的MIMO信道建模方式已經不再適用於大規模MIMO信道特性的表徵。結合上面提到的大規模信道的非平穩性、陣列範圍的統計特性變化和用戶接收功率的不平衡等因素，大規模MIMO系統的建模需要將小尺度、大尺度衰落以及可能存在的視距傳播主徑等因素全部考慮進來。

性質	單鏈路MIMO	多鏈路MIMO	大規模MIMO
衰落相關	小尺度衰落	大尺度衰落	小尺度及大尺度衰落
衰落相關	小尺度衰落	大尺度衰落	小尺度及大尺度衰落
空間相關	鏈路內	鏈路間	鏈路內及鏈路外