【正文】 空間復(fù)用是指在同一頻帶上通過接受端和發(fā)射端的多根天線同時發(fā)送數(shù)據(jù)，來提高傳輸?shù)娜萘俊? 20 圖 MIMO 天線系統(tǒng)的傳輸 過程 MIMO 系統(tǒng)的缺陷與 大規(guī)模天線系統(tǒng) 的優(yōu)勢 在天線系統(tǒng)中，對 信號傳播 的容量、 速率和傳播可靠性提高主要是依賴空間分集，空間復(fù)用和波束 賦形 。 MIMO 系統(tǒng)傳輸原理 如圖 ，在發(fā)送端首先是對將收集到的信息和想要發(fā)送的信息進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，使信息變成能夠被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后再將調(diào)制之后所形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并之間的轉(zhuǎn)換，將一段串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多段能夠同時傳輸?shù)牟⑿袛?shù)據(jù)，再將通過空時編碼后的每一段數(shù)據(jù)或幾段數(shù)據(jù)分配給一根天線，最后通過天線將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過多個天線，可以發(fā)送多個 數(shù)據(jù) 流，因此，可以顯著改善通信的復(fù)用增益容量。 在無線通信中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī) 之間 傳輸?shù)男盘柋凰ヂ?和 衰減 是 由于多路徑傳播和傳播過程中的 障礙造成的 。 顯然，為了提高吞吐量，需要 增加 帶寬或頻譜效率 [26]。 此外，加倍 基站端 天 線的數(shù)量， 可以將發(fā)射功率降低，而 保持原有的服務(wù)質(zhì)量。）有利傳播的條件（用戶之間的信道向量和基站 成對正交），上行鏈路傳輸?shù)目側(cè)萘繛? C?????? = ??log2(1+ ??????) （ 411） 在（ 411）中， K是復(fù)用增益， M為 陣列增益。 未來的無線通信需要新的技術(shù) ，大規(guī)模 天線系統(tǒng) 可以滿足這些需求。大規(guī)模天線系統(tǒng)可以通過增加天線系統(tǒng)的中天線的數(shù)量來提高通信系統(tǒng)的頻譜效率 [25]，其頻譜效率相對于傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)而言有著顯著改善，提高了無線 傳輸 中 的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)。 大規(guī)模天線系統(tǒng)在頻譜效率上的優(yōu)勢 結(jié)合上述頻譜效率公式，將公式（ 46）和（ 48）對比，當(dāng)天線數(shù)量很大時，大規(guī)模天線技術(shù)上行鏈路的傳輸效率相對于傳統(tǒng) MIMO 系統(tǒng)的頻譜效率有顯著提高。通過功率分配 大規(guī)模天線 系統(tǒng) 的 下行頻譜效率可表示為： C = max??? log2(det(???? +?????????????))?????????? (410) ??為正對角矩陣， 通過功率配置，可達(dá)到最高的頻譜效率。當(dāng)在基站端 放置大量天線，甚至趨于無窮時，信道向量 趨于 正交，這時可以無視終端之間的 干擾。 ????為上行傳輸功率。 相對于 MIMO 天線系統(tǒng)之前的天線系統(tǒng)， MIMO 天線系統(tǒng)的頻譜效率已經(jīng)得到了顯著的提高，但是 MIMO 系統(tǒng)的頻譜效率需要特定的的信道 狀態(tài) 之下條件才能獲得，在信道相關(guān)性較強(qiáng)的 MIMO 系統(tǒng)中，傳輸機(jī)制會被破壞，無法再 提高系統(tǒng)頻譜效率。 MIMO 系統(tǒng)的頻譜效率 MIMO 天線系統(tǒng)在發(fā)射端裝備 N 條天線，在接受端裝備 M 條天線，當(dāng) 一定時間內(nèi)通信鏈路不變時，系統(tǒng)的頻譜效率 [22]為： C = log2(det(???? + ???????? ??????))?????????? （ 46） SNR 表示信噪比， H 為通信信道， N 為發(fā)射端天線數(shù)。頻譜效率 是指在通信系統(tǒng)中的帶寬限制下，可以傳送的 數(shù)據(jù)的 總量。 根據(jù)最基本天線系統(tǒng)的信道矩陣便可以看出 大規(guī)模天線 系統(tǒng) 的通信鏈路有明顯的增加，能夠在同一時間傳輸更多的信息。 圖 大規(guī)模天線技術(shù)的結(jié)構(gòu) （ 2） 大規(guī)模天線系統(tǒng) 的系統(tǒng)模型如圖 所示 圖 大規(guī)模天線 系統(tǒng)的簡化模型 如圖 所示的大規(guī)模天線系統(tǒng) [20]， 當(dāng)有 L 個小區(qū)時， 在小區(qū)的基站 端布置 N 根天線， 同時 為 隨機(jī)的分布到小區(qū)中 的 K 個終端提供服務(wù) 。在大規(guī)模 天線系統(tǒng)中，數(shù)百或數(shù)千個 基站 天線同時為相同頻率的數(shù)十或數(shù)百個用戶提供服務(wù)資源。 圖 MIMO 系統(tǒng)的簡化模型 MIMO系統(tǒng)的傳輸模型如圖 示，在 MIMO天線系統(tǒng)的發(fā)射端有 M根發(fā)射 天線，在 MIMO系統(tǒng)的接收段有 N根 接收 天線，這樣， 整個天線傳輸 鏈路就可以達(dá)到 M N條，用 H 來表示 . H = (?11 … ?1??? ? ????1 … ?????) （ 41） 其中 H ∈ ??????， ??????表示第 n 根 天線發(fā)射 到第 m 根天線的 通信 鏈路，在 MIMO 系統(tǒng)中，接受端收到的 信號為： r = Hy +?? （ 42） 其中 y ∈ ????1表示發(fā)射端發(fā)送的數(shù)據(jù)， n ∈ ????1為接受端天線收到的噪聲 。多輸入多輸出天線系統(tǒng)對為通信系統(tǒng)頻譜效率的提高極為有效，MIMO 系統(tǒng)成為通信領(lǐng)域中不可缺失的重要組成。 15 傳統(tǒng) MIMO 系統(tǒng) MIMO 技術(shù)在通信領(lǐng)域的早期便已經(jīng)被提出，其能夠增強(qiáng)通信。該系統(tǒng)中，由 N M 個子天線塊組成的多天線是一個二維系統(tǒng)，由 n m q 的陣元組成的陣列是一個三維系統(tǒng)，所以， 該 大規(guī)模 MIMO 天線中的總陣元數(shù)為 NM n m q，是一個真正的大規(guī)模天線系統(tǒng)。利用 10 個子天線塊來支持 4 個終端，使該大規(guī)模天線系統(tǒng)可實現(xiàn)空間復(fù)用。 根據(jù)該理念來設(shè)計大規(guī)模天線系統(tǒng)。 下表 為四種新型的多址技術(shù)： 表 四種多址技術(shù)的比較 多址技術(shù) 關(guān)鍵技術(shù) 優(yōu)點 缺點 非正交多址接入（ NOMA） 1 SIC（串行干擾刪除） 檢測 2 功率域復(fù)用 1 無明顯遠(yuǎn)近效應(yīng) 2 上下鏈路的頻譜效率提升 3 下行鏈路吞吐量提升 高 仍在研究中 稀疏編碼多址接入技術(shù)（ SCMA） 1 低密度簽名算法 2 高維調(diào)制技術(shù) 3 通過 MPA進(jìn)行近似最優(yōu)檢測 1 頻譜效率提升 3倍以上 2 上行鏈路系統(tǒng)容量提升 3 相較于 OFDMA，下行鏈路小區(qū)的吞吐量提升，增益提升 1 最優(yōu)碼的設(shè)計和實現(xiàn)比較難 2 用戶間干擾增加 圖分 多址接入（ PDMA） 1 適合復(fù)雜度的 SIC的聯(lián)合 /整體設(shè)計 2 低復(fù)雜度最大似然 SIC檢測 1 下行鏈路頻譜效率提升 2 上行鏈路系統(tǒng)容量提升 23倍 1 圖樣的設(shè)計和最優(yōu)化的實現(xiàn)較難 2 用戶間干擾增加。 根據(jù)信道類型，可以使用特定的多址技術(shù)進(jìn)行通信。目前，高頻設(shè)備存在諸多問題，設(shè)計難度大，設(shè)備成本高，需要開發(fā) 5G網(wǎng)絡(luò) 技術(shù)和 加大產(chǎn)業(yè)鏈的投資 [17]。目前支持高頻射頻前端還沒有實現(xiàn)小型化，無法集成到手機(jī)等小型移動終端。目前的 13 6100 GHz 元件 在微波產(chǎn)品 已經(jīng)得到廣泛使用 ，但現(xiàn)有的移動終端硬件技術(shù)不能支持高于 6 GHz 的高頻帶。高頻混合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的使用可以有效地解決熱點面積的速率和流量要求，而低頻基站廣泛覆蓋可以減少基站數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò) 部署所需的 成本。 在高低混頻網(wǎng)絡(luò)中， 使用了控制面和數(shù)據(jù)面分離技術(shù)，當(dāng)終端處于數(shù)據(jù)密集區(qū)域時，由低頻蜂窩網(wǎng) 絡(luò)來負(fù)責(zé)控制面 的傳輸，高頻蜂窩網(wǎng) 絡(luò)負(fù)責(zé) 數(shù)據(jù)傳輸。 全頻段接入 技術(shù) 的優(yōu)勢 了解每個頻段的特征是設(shè)計通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)，國際上 對 6 GHz 以下頻段的頻譜特性進(jìn)行了很多的研究，并且 高頻渠道特點 的研究 已經(jīng)成為全頻譜接入技術(shù)的關(guān)鍵項目。已經(jīng)確定，在物聯(lián)網(wǎng)中使用 800M 和 900M 頻帶中的窄帶頻帶， 能夠滿足大規(guī)模機(jī) 器的通信需求。所以高頻和低頻協(xié)作是滿足 E MBB 場景的基本手段。 12 圖 6 GHz 以內(nèi)頻譜資源的使用情況 全頻譜接入的 應(yīng)用場景 全頻譜接入技術(shù)覆蓋了較大的頻率范圍，頻段 間 具有不同的特點和優(yōu)勢，通過頻譜資源的靈活的部署，全頻譜接入技術(shù)將滿足未來 5G 網(wǎng)絡(luò) 需求的 三 大場景 [15]。 由于 衛(wèi)星，廣播，和地面的多種服務(wù) 使用 的 頻譜密集分布在 6 GHz 以下， 如 圖 所示 5G 網(wǎng)絡(luò) 的頻譜資源在 6 GHz 以內(nèi)可以用于低頻帶的頻譜資源極為有限，無法滿足5G 網(wǎng)絡(luò) 的開發(fā)需求，必須開發(fā) 6GHz 以上的高頻段。 （ 2） 候選頻段需要具有 寬 的自由連續(xù)頻譜，以滿足 5G 網(wǎng)絡(luò) 高速率的傳輸 。所涉及的頻帶包括低于 6GHz 的低頻帶和 6100GHz 的 頻帶。 現(xiàn)在 超密集 組網(wǎng)如何減少信令負(fù)荷 是 必須解決問題 [12]。 （ 2） 信令負(fù)荷 將小型基站大量的部署，使信號所覆蓋的區(qū)域變得更加不規(guī)則， 覆蓋區(qū)域的邊界數(shù)量增加，使信號需要通過更多的變換和切換。 5G 網(wǎng)絡(luò) 的 超密集組網(wǎng) 技術(shù)面臨 的問題與挑戰(zhàn) （ 1） 干擾現(xiàn)象 在超密集 組網(wǎng)中， 由于 各個 節(jié)點之間 的距離很小，信號將會 將會互相干擾， 主要類型是 ：共享頻譜資源之間的干擾， 相同頻率 之間干擾 。 11 （ 2）資源利用率提升 宏基站可以通過 統(tǒng)一控制和管理小型 基站 ，對小型 基站動態(tài)開 /關(guān)等 給予協(xié)調(diào)管理，進(jìn)行 優(yōu)化控制，提高整體 的網(wǎng)絡(luò)容量和資源使用效率 ，降低能耗。 超密集組網(wǎng) 技術(shù)的 優(yōu)勢 （ 1）移動性能提升 由于小型 基站 部署在宏基站的內(nèi)部， 可以始終保持宏基站與微基站之間的連接。 結(jié)構(gòu)如圖 。 超密集組網(wǎng) 為了滿足將來移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量增大數(shù)百倍， 將用戶體驗速率提高數(shù)百 倍 的要求 ，除了增加頻譜帶寬和使用大規(guī)模 天線技術(shù)提高頻譜的效 率， 提高空間重用的程度 也是提高 5G 網(wǎng)絡(luò) 無線系統(tǒng)容量的有效的方法。隨著 5G 網(wǎng)絡(luò) 基站天線數(shù)量的大幅增加，大規(guī)模天線系統(tǒng)將使用更多的天線，為了控制成本， 需要解決 在 不同情況下 應(yīng)該布置多少天線的問題，在部署前控制好成本。天線陣列的分配將受到用戶所在位置的影響 ，基站 端 需要 能夠 依 靠信道的移動性和空間中的能量的連續(xù)性來實現(xiàn)最佳或更好的信道估計。 以下 是 一些 大規(guī)模天線技術(shù) 所 需要解決的 問題 ： （ 1） 信道估計和建模。毫米波擁有豐富的帶寬，但是衰減強(qiáng)烈，而波束賦形則正好可以解決這一問題 10 大規(guī)模天線技術(shù) 所面臨的挑戰(zhàn) 大規(guī)模天線技術(shù)還有許多問題需要解決，從理論上的研究來看，底層的研究 面臨 許多困難。在大規(guī)模天線下，得益于大數(shù)定理而產(chǎn)生的衰落消失，信道變得良好，對抗深度衰弱的過程可以大大簡化，因此時延也可以大幅降低。大數(shù)定律造就的平坦衰落信道使得低延時通信成為可能。波束賦形的信號疊加增益功能使得每根天線只需以小功率發(fā)射信號，從而避免使用昂貴的大動態(tài)范圍功率放大器，減少了硬件成本。其波束賦形的定向功能能夠極大提升頻譜效率，大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量。較偏僻 地區(qū)的無線傳輸 依靠 郊區(qū)覆蓋 來 處理 ， 大型賽事、演唱 會、 商場、交通樞紐等用戶密度高的 地區(qū)就需要 局部熱點 來解決傳輸問題 。 大規(guī)模天線技術(shù)的應(yīng)用場景 大規(guī)模 天線 系統(tǒng) 的主要應(yīng)用場景如圖 ，分 城區(qū)覆蓋和郊區(qū)覆蓋 、 無線回傳 和局部熱點。與以前的單天線和 4/8 天線系統(tǒng)相比，大規(guī)模天線技術(shù)可以提高時域、空域和頻域 的頻譜效率 。 9 第 3 章 5G 網(wǎng)絡(luò)中的一些關(guān)鍵技術(shù) 大規(guī)模天線 2020 年，貝爾實驗室 ， 托馬斯 在 《 無線通信 》 [8]中介紹了大規(guī)模多天線技術(shù)（ Massive MIMO）應(yīng)用在 5G 移動通信中可能產(chǎn)生的效果 。圖 24 清楚 顯示 5G 網(wǎng)絡(luò)預(yù)計將有多大的改善以滿足所有的要求 ： 無線接入技術(shù)之間的數(shù)據(jù)速率，延遲，切換時間，能源和能源消耗。 8 圖 5G 網(wǎng)絡(luò) 服務(wù)和場景的要求。 隨著移動業(yè) 務(wù)日益多元化，服務(wù)范圍 越發(fā) 廣泛，需要不同的性能要求。5G 網(wǎng)絡(luò)的主要目標(biāo)之一是構(gòu)建智能 城市，提供其所需的基礎(chǔ)設(shè)施 。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，5G 網(wǎng)絡(luò) 應(yīng)該考慮支持視覺通信 和 多媒體互動。移動網(wǎng)絡(luò) 越來越多地覆蓋了我們?nèi)粘贤ǖ母鱾€方面。第二， 5G 網(wǎng)絡(luò)將支持各種服務(wù)， 以及與不同生活領(lǐng)域 內(nèi) 相關(guān)的用戶。在建立 5G 無線網(wǎng)絡(luò)時， 需要 在三個主要類別下解決問題。 （ 3） 提高頻譜效率，通過大規(guī)模天線技術(shù)，提高使每單位頻譜資源的傳輸速率上升。 7 圖 5G網(wǎng)絡(luò) 提升速率的三個基本方向 提高傳輸速率是 5G 移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵 ，如圖 所示，提升傳輸速率主要有三個方向： （ 1） 更密集的布局，單位面積內(nèi)增加基站或小型終端的數(shù)量。 5G 網(wǎng)絡(luò) 的技術(shù)方向 5G 網(wǎng)絡(luò)中還有許多潛在的無線技術(shù) [6]正在研究，根據(jù)國際上對通信的需求， 5G網(wǎng)絡(luò) 所面臨的主要困難和挑戰(zhàn)是：更快！更低功耗！而想提高通信的速率和降低功耗，需要從最基本的理論上開始研究，香農(nóng)公式： C=Blog2(1+S/N) （ 21） 公式（ 21）中 B 是信道帶寬（ Hz）， S 是信號功率（ W）， N 為噪聲功率（ W）， C是最大傳輸速率（ bit/s）。 （ 6）加強(qiáng)信號效率 。