大規模天線理論 | 帶你讀《大規模天線波束賦形技術原理與設計 》之十一

大規模天線技術的應用場景

第2章

大規模天線理論

信道容量及頻譜效率分析是通信系統設計的基礎，一直是通信領 域的基礎性問題。人們對 MIMO 技術的研究始于 Telatar 教授的 MIMO 高斯信道的容量分析[10]。随着 MIMO 技術受到關注，研究者對 MIMO信道容量及MIMO系統的頻譜效率進行了廣泛的研究。 對 MIMO 信道容量的分析揭示出 MIMO 與收發天線數及信道統計特性的定量關 系，為系統設計提供了理論基礎。針對實際系統實作中不同的發送和 接收方案，分析 MIMO 系統的頻譜效率，可以為系統傳輸方案設計提 供理論依據。是以，研究 MIMO 的信道容量及系統頻譜效率理論有重 要的理論和實際意義。本章将從信道容量和頻譜效率理論入手，給出 大規模天線系統性能分析，進而揭示其性能增益。

| 2.1 Massive MIMO 技術基本原理 |

縱觀 MIMO 技術的發展曆程，大概是遵照從單使用者 MIMO、多使用者 MIMO、 多小區多使用者 MIMO 到大規模多使用者 MIMO。對于單使用者 MIMO，衆多研究者 利用随機矩陣理論，理論上分析了多天線的分集增益、複用增益和陣列增益。 考慮到使用者終端配備天線數有限，為了充分利用基站采用多天線帶來的增益， 人們研究了多使用者 MIMO，包括下行鍊路的 MIMO-BC（MIMO-Broadcast Channel）容量和上行 MIMO-MAC（MIMO-Media Access Control）容量，結 果表明多使用者 MIMO 可以顯著提升系統總容量，為多使用者 MIMO 傳輸奠定了 理論基礎[14]。在實際的蜂窩移動通信系統中，MIMO 面臨着如何擴充到多小 區應用場景的問題。是以，人們研究了多小區多使用者 MIMO，特别是研究了 存在多小區幹擾下系統的頻譜效率，提出了協作 MIMO 技術，解決多小區幹 擾問題。

這些技術目前已經在 4G 移動通信系統中得到應用。然而，在目前 4G 系統 中的典型天線配置和小區設定下，MU-MIMO 和協作 MU-MIMO 出現頻譜和功 率效率提升的瓶頸問題。受限于信道資訊擷取和基站間資訊互動的瓶頸，現有4G 系統中 MU-MIMO 的頻譜使用率并未達到業界的預期。特别是，由于基站 配置天線較少，空間分辨率有限，受複雜度制約系統無法使用容量可達的 DPC， 使得 4G 系統中 MU-MIMO 的性能增益仍然受限。

2010 年貝爾實驗室的 Marzetta 教授[10]提出在基站采用大規模天線陣， 形成多使用者 Massive MIMO 無線通信系統（如圖 2.1 所示），進一步大幅提 高傳輸效率和系統容量。理論研究及初步性能評估結果表明，在同頻複用的 20MHz 帶寬 TDD 系統中，若基站配置 400 根天線，每小區同時同頻服務 42 個使用者，且小區内使用者采用正交導頻序列，而小區間無協作，則上行接收/ 下行發送分别采用 MRC/MRT 時，每個小區的平均容量可高達 1800Mbit/s。 而目前 LTE-A（Release 10）隻有約 74Mbit/s。也就是說，其容量是 LTE-A （Release 10）的 24 倍。Massive MIMO 的主要理論依據是，随着基站天線個 數趨于無窮大，多天線的空間分辨率增強，多使用者信道将趨于準正交。這種 情況下高斯噪聲以及互不相關的小區間幹擾将趨于消失，而使用者發送功率可以任意低。

大規模天線信道的空間分辨率顯著增強，其新特性值得探索。将已有的多 使用者 MIMO 技術直接應用到大規模天線場景，基站需要瞬時信道資訊，存在着 兩個方面難以克服的問題。其一是導頻開銷随使用者數、移動速度、載波頻率線 性增長，信道資訊擷取存在瓶頸；其二是多使用者聯合發送/接收涉及矩陣求逆， 複雜度立方增長，實作複雜性高。是以，大規模天線配置使得收發端可獲得的 信道資訊嚴重受限，信道容量分析需綜合考慮信道特性和實際限制。

本章接下來首先介紹大規模天線技術的基本理論，給出理想信道狀态資訊下的容量分析。然後，給出導頻資源受限的限制下 Masssive MIMO 的上行鍊路 和下行鍊路的容量分析。後，考慮實際信道限制和硬體限制，給出了 Masssive MIMO 容量的新研究結果。

| 2.2 Massive MIMO 的基本理論 |