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面向5G的大规模无线传输理论和技术

摘要 为了满足未来无线数据业务流量的巨大需求，近年来已经开展了第五代（）移动通信系统的研究。预计移动通信系统中的频谱和能量利用率比第四代（）移动通信系统中的频谱和能量利用率高十倍。因此，重要的是进一步挖掘多个天线的空间复用的潜力。在过去二十年，多输入多输出（MIMO）天线已被认为是增加无线通信系统容量的关键技术。 当在基站中配备大规模天线阵列（也称为大规模MIMO）或者部署大量分布式天线（也称为大规模分布式MIMO）时，频谱和能量利用率可以通过使用空间域多址进一步改进。本文提供了大规模MIMO和大规模分布式MIMO系统的概述，包括频谱利用率分析、信道状态信息（CSI）采集，无线传输技术和资源分配。

关键词：第五代移动通信 大规模MIMO 大规模分布式天线系统 频谱利用率 信道状态信息获取 多用户MIMO 资源分配

目 录

1. 介绍 1

2. LSAS的频谱利用率分析 4

2.1 频谱利用率的理论分析 4

2.2 系统级频谱利用率 8

2.3 未来的研究主题 9

3. 在LSAS中的CSIc采集 10

3.1 导频设计 10

3.2 信道估计法 12

3.3 TDD系统的互易标准 13

3.4 未来研究的主题 16

4. 多用户LSAS的传输方法 18

4.1 基于统计CSI的SDMA 18

4.2 大规模DAS中的下行链路传输 19

4.3 低复杂度接收机 20

4.4 未来研究的主题 20

5. LSAS中的资源分配 21

6. 总结 23

 

1.介绍

在最近一些年，移动数据量几乎呈指数增长。通过Ericssion最近的预测，从到年[1]，全球移动数据业务量将增加倍。同时，由于信息能耗变大和通信技术要求提高，减少移动通讯系统的能耗就变得非常迫切。这无疑对当代的移动通信带来了挑战，同时也为移动通信系统提供了一个巨大的机会。

移动通信系统的基础目标之一是在移动通信系统的基础上，将频谱和能量利用率提升一个量级，以满足未来移动数据业务的需求。为从根本上解决移动通信系统频谱和能量利用率问题，并且实现更高数据速率和绿色无线通信的目标[2,3]，就需要在网络架构和无线传输技术上有一个新的革新。

MIMO天线是过去年通信技术的重要突破，同时也是利用空间资源的一个基本方法。为了提高可靠度，支撑单用户和多用户的空分复用，MIMO提供分集增益、复用增益和功率增益[4]，并通过波束成形提高能量利用率。到目前为止，MIMO技术已经被3GPP长期演进项目、IEEE 802,11ac 和其他无线通信标准采用。然而对于移动通信系统，因为在基站（BSs）上仅配备少量天线，所以空间分辨率受到限制，并且性能增益未充分利用。不仅如此，由于当代技术的限制，容量接近传输方案的实现是非常困难的。

分布式天线系统（DAS）是利用空间域资源的另一种方法。在DAS中，地理上分散的远程射频单元(RRUs)配备有多个天线，并且通过高速回程链路连接到基带单元（BBU）。类似于MIMO，在RRU之间的协作下，DAS可以在同一时间频率资源中为单个或多个移动终端服务。这也被称作分布式MIMO系统或者协作式MIMO系统。分布式MIMO技术不仅能获得MIMO的种增益，分布式MIMO技术不仅可以获得MIMO的三种增益，而且可以获得宏分集和由较小路径损耗产生的功率增益[10-12]。

为了进一步提高系统的频谱和能量利用率，工业界和学术界已达成一致意见：增加热点处的协作RRU的数量[13,14]，或者用大规模天线阵列替换当前在每个BS [5]中的多个天线。这两种技术可以被看作是图 1所示的大规模协作无线通信。

如图 1所示，大量天线可以分散在小区（称为大规模分布式MIMO）内，或者集中部署在BS（称为大规模MIMO）。理论研究和初步性能评估[5,14]证明，随着BS天线的数量（或分布式RRU的数量）变得无穷大，用户间信道将变得正交。在这种情况下，来自其他小区的高斯噪声和小区间干扰将被迫平均至零，并且任何用户的发射功率可以无限低，系统容量仅受导频资源的重用限制。

在大规模MIMO和大规模分布式MIMO系统中，人们有着对无线空间维度资源利用的共识。也就是说，它们在性能分析和系统设计中具有类似的问题。因此，在本文中，如果没有特别说明，大规模MIMO和大规模分布式MIMO系统都被称为大规模天线系统（LSAS）。与传统MIMO系统不同，LSAS引入了理论分析和系统设计，包括在导频资源、信道状态信息（CSI）采集，无线传输技术、资源分配等约束下的频谱利用率分析。

在下面，我们将介绍LSAS中的最先进的技术。首先，我们引入其不完全CSI的频谱利用率分析。其次，突出了其瓶颈技——CSI捕获技术，其包括导频设计，信道估计和互易获取方法。然后，审查其传输技术，包括多用户预编码和联合多用户检测。最后，介绍了一些资源分配方法。

本文中使用的符号定义如下。 所有粗体斜体字母表示向量（小写）或矩阵（大写）。代表任意合适的单位矩阵。代表矩阵的行和列元素。上标、和分别表示矩阵转置，共轭和共轭转置。运算符表示Kronecker乘积。表示矩阵的向量化。和分别代表行列式和轨迹。 运算符表示沿着其主对角线具有的对角矩阵。表示为的块对角矩阵沿其主对角线具有块。运算符表示期望，协方差运算符由给出。 代表具有均值和方差的复高斯分布。

6.总结

在本文中，总结了LSAS中无线传输理论和技术的最新研究进展，涵盖了频谱利用率、CSI获取，上行链路和下行链路无线通信以及资源分配的理论分析。此外，本文还提出了潜在的研究课题。虽然已经有一些实验性的大规模MIMO系统，并且3GPP标准组织也在推动相关技术的发展，但是应该解决大量的理论和工程问题。