大规模MIMO课程课件

大

规

模目

录一

、MIMO的

概

念

及

原

理二、

MIM

O

的发展历史及应用三、

大规模MIMO

的概念四、

大规模MIM

O的研究方向五

、大规

模MIMO的

优

点六

、

大

规

模MIMO的

缺

陷七、大规模MIMO

的展望

A①

的

概

念MIMO(Multiple-InputMultiple-Output)技

术

，

即多

入多出技术，指在发射端和接收端分别使用多个发射天线

和接收天线，使信号通过发射端与接收端的多个天线传送

和接收，从而改善通信质量。◎

它能充分利用空间资源，通过多个天线实现多发多收，

在不增加频谱资源和天线发射功率的情况下，可以成倍的

提高系统信道容量，显示出明显的优势、被视为下

一

代移

动通信的核心技术。

MIMO

系统在发射端和接收端均采用多个天线和多个

通道，如图所示。发射天线C₁

(K)MIMO系统原理接收天线空时编码空时编码信

宿天线阵信

源Cm(K)Rm(K)R₁

(K)S₁

(K)分层空时(D-BLAST

)算法；1998年

Tarokh

等讨论了用于MIMO

的空时码；1998年

Wolniansky等采用垂直-贝尔实验室分层空时(V-BLAST)

第

法建立了

一个MIMO

实验系统1908年

马可尼就提出用MIMO来抗衰落；70年代

有人提出将MIMO

用于通信系统；1995年

Teladar

给出了在衰落情况下的MIMO

容量；1996年

Foshinia给出了一种多入多出处理算法——对角-贝尔实验室二、

AAO

的发展历史及应用这些工作使得MIMO

技术的研究工作得到了迅速发展。1.无线宽带移动通信传统蜂窝移动通信系统和传统的分布式天线系统相结合无线通信领域雷达领域……

……12345However.

.传统的MIM

O

技术并不能满足当代呈指数上涨的无线数据需求，而且面临着计

算复杂度高，成本高昂的回程链路的建设，较高的延时等问题......2010

年底，贝尔实验室科学家Thomas

L.Marzetta研

究了多小区、

TDD(time

division

duplexing)情况下，各基站配置无限数量天

线的极端情况的多用户

MIMO

技术，提出了大规模MIMO(MassiveMIMO)的概念，发现了一些与单小区、有限数量天线时的不同特征。Massive

MIMO技

术指基站天线数目庞大，而用户终端采用单天线接收的通信方式，可作为目前移动通信系统的一种平滑的过渡方式，

即不必大面积更新用户的终端设备，通过对基站的改造，提高系统的频

谱利用率。大

规

模AAO

的

概

念Marzetta

研究了

一

种时分双工(Time-DivisionDuplexing,TDD)的传输策略，在基站天线数趋近于无穷时，通常严重影响通信系统性能的热噪声和不相干的小区间干扰将可以被忽咯不计，

而且最简单的波束赋形，

比如最大比合并接收机将会变成最优。与以往干扰协调不同，

Massive

MIMO不再试图用协调不同的基站来进行合作传输的方法减小干扰，

而是通过

数量众多的天线来早增加有用信号的功率，从而增加信

干

比(SIR),

以此来减少干扰的影响。四一大

规模

^^

O

的研究方向Massive

MIMO,又称为large-scale

MIMO。

顾

名思义，就是在基站端安装几百根天线(128根、

256根

或

者

更多),从而实现几百个天线同时发数据。

室外宏覆盖天线集中配置的

Aassive

MIMO主要应用场景高层覆盖室内覆盖研究方向与传统天线的不同之处优先级基站天线架构设计形状不规则，呈二维平面/曲面或三维阵列中基站端预编码需要挖掘新的预编码算法中基站端信号检测和基站端信道估计TDD不受影响；FDD需要新的反馈算法中控制信道性能改进控制信道的覆盖能力远弱于数据信道高规

模MI

MO

的研究方向在沿用现有的LTE

系

统MAC+PHY

的结构下，

MassiveMIMO

的

物理层研究的方向主要包括：Massive

MIMO的

MAC

研

究的方向主要包括：MU-MIMO配对算法、用户调度和资源分配策略

。此外，

Massive

MIMO还可以跟其他组网技

术相结

合

，

如LTE

系

统

中

的CoMP

技术等。·●

··综上所述，在5

G中

，Massive

MIMO是非常关键的技术，其核心问题的解决主要在PHY

层和MAC层。五

、

大

规

模AAD

的

优

点●第一，大规模MIMO

的空间分辨率与现有MIMO

相比显著增强，能深度挖掘空间维度资源，使得网络中的多个用户可以在同一时频资

源上利用大规模MIMO

提供的空间自由度与基站同时进行通信，从而在不需要增加基站密度和带宽的条件下大幅度提高频谱效率.第二，大规模MIMO

可将波束集中在很窄的范围内，从而大幅度降低干扰.第三，当天线数量足够大时，最简单的线性预编码和线性检测器趋于最优，并且噪声和不相关干扰都可忽咯不计.第四，可大幅降低发射功率，从而提高功率效率.近两年针对大规模MIMO

技术的研

究工作

主要集中在信道模型、容量和传输技术性能分析、

预编码技术、信道估计与信号检测技术等方面但还存在一些问题......大

规

模AAO

的

缺

陷由于理论建模和实测模型工作较少，还没有被广泛认可的信道模型；由于需要利用信道互易性减少信道状态信息获取的开销，目前的传输方案大

都假设采用TDD

系统，用户都是单天线的，并且其数量远小于基站天线数量.

导频数量随用户数量线性增加，开销较大，信号检测和预编码都需要高维矩阵运算，复杂度高，

并且由于需要利用上下行信

道的互易性，难以适应高速移动场景和FDD

系统；在分析信道容量及传输方案的性能时，大都假设独立同分布信道，从而认为导频

污染是大规模MIMO

的瓶颈问题，使得分析结果存在明显的局限性，

等

等值得

一

提的

是

-

-

-

-

-七

、

大

规

模AMO

的

展

望2014年9月，华为携手中国移动完成全球首次

a

si

e

IMO多天线解决方案应用于TD-LTE

网示。M中国移动通信

CHINA

MOBILE七、大

规

模AAD

的

展

望2014年11月，

中兴通讯联合中国移动完成了全球首个TD-LTE3D/MassiveMIMO

基站的预商用测试。近日新闻报道，2015年3月3日，在巴塞罗那举办GTI

的2015年世界移动通信大会上，

中兴通讯与中

国移动联

合

展

示

了

5G3D/MassiveMIMO预

商

用基站，中兴通讯获得2014年度GTI

“创新解决方案与应用大奖”

。3D/MassiveMIMO是5G的核心技术之一5G的3D/MassiveMIMO

关键技术提前引入现网，可以帮助运营商在4G时代占据5G

先机。七、大

规

模AIMO

的

展

望目前，学术界关于Massive

MIMO

的研究才刚刚起

步，仍有大量的与之相关的研究方向值得关注

。今后比较有潜力的研究方向包括：1)

如何使用更少的天线数，

而非无穷多的天线来获取更高的系统容量；2)

如

何

将Massive

MI