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摘 要：大规模MIMO系统在能源效率、频谱效率、鲁棒性和可靠性方面有着巨大的优势。它允许在基站和移动终端使用低成本的硬件，可以使容量增加的同时提高辐射能量效率，显著降低在空中接口上延迟。但也存在一些现实的限制因素，包括信道的互惠性，导频污染问题以及无线传输和信道特性。本文介绍了实现该技术的全部潜力和面临的挑战，例如，导频污染、计算复杂度、低成本硬件的问题以及分布式处理算法的实现问题。大规模MIMO系统的信号处理方法不需要再采用复杂的非线性设计来避免干扰，而只需要简单的线性设计即可实现较好的系统性能。比如在预编码方法研究方面：传统的MIMO系统中一般研究非线性预编码方案，比如DPC（dirty-paper coding，脏纸），而大规模MIMO中一般采用线性预编码，比如MRT（最大比发送）、ZF（迫零）、MMSE（最小均方误差）。
关键词：大规模MIMO；导频污染；信道特性；空中接口 ；部署方案
第一章 绪论
1.1 5G 通信的特性
蜂窝网络的发展主要受无线用户设备的持续增长，数据使用量， 以及对更好的体验质量的需求的影响。预计到 2020 年底，将有超过 500 亿个连接设备使用蜂窝网络服务，与 2014年相比，这将导致数据流量的巨大增长。但是，最新的解决方案不足以应对上述挑战。总而言之， 3D（Device、 Data、 Data 传输速率）的增加促进了 5G 网络的发展，具体来说，蜂窝网络的第五代（5G）将突出并解决三个广泛的观点，如：以用户为中心、以服务提供商为中心、以网络运营商为中心
1.2 目前移动通信的局限性
4G 网络不足以支持具有低延迟和显着频谱效率的大规模连接设备。
不支持突发数据流量：有些移動应用程序会发送心跳消息到服务器，有时会在很短的时间内请求非常高的数据传输速率。这种类型的数据传输更多地消耗了（移动）用户设备（UE）的电池寿命，同时增加网络中的突发数据，可能造成核心网络崩溃。
基站处理能力的低效利用率：在当前的蜂窝网络中，基站（BS）的处理能力只能由其关联的 UE 使用，并且它们被设计为支持峰值时间业务。然而，当轻载时， BS 的处理能力可以在大的地理区域上共享，网络的总成本增加。
1.3 5G 通信无线传输的关键技术
一个就是多址，多址技术指的是解决多个用户同时和基站通信的问题，怎么来分享资源的技术，第一代通信采用的是FDMA技术，第二代通信采用的是TDMA技术，第三代通信采用的是CDMA技术，第四代通信采用的是OFDMA技术。
另一项关键技术就是多天线，现在比较火的是MIMO技术，大规模MIMO技术不仅能够在不增加频谱资源的情况下降低发射功率、减小小区内以及小区间干扰，还能实现频谱效率和功率效率在4G 的基础上再提升一个量级。此外，射频调制解调技术也属于关键技术。
1.4 大规模MIMO的简介
5G（后4G）时代，小区越来越密集，对容量、耗能和业务的需求越来越高，现有4G蜂窝网络的多天线技术（8端口MU-MIMO、CoMP）很难满足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大规模天线阵列（比如数百个天线或更多）可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统（Large Scale Antenna System，或称为Massive MIMO）。
关于大规模MIMO，我们考虑使用上百根的天线阵列在同一时域资源中同时服务数十个终端设备。大规模MIMO的基本前提是获得传统MIMO的所有优点，但规模更大。总的来说，大规模的MIMO是未来宽带（固定和移动）网络发展的推动力，大规模MIMO系统所使用的实际天线阵列不同的配置和部署方案。
第二章 大规模MIMO的潜力
2.1增加系统容量和辐射能量效率
大规模MIMO可以使容量增加10倍以上，同时提高100倍的辐射能量效率。容量增加是由于大规模MIMO中采用了空间复用技术。能量效率显著提高是因为随着大量的天线，能量可以聚焦于空间的小区域。
最大比合并（MRC）与ZF相比，其吸引力不仅在于它的计算简单性（接收信号的共轭和信道响应相乘），而且还可以独立地在每个天线单元上以分布式方式执行。
2.2显著降低在空中接口上延迟
无线通信系统的性能通常受到衰落的限制。衰落使接收信号强度在某一时间内变得非常小。信号从基站通过多径信道到达终端时衰落，这些衰落是由多径信道的干涉引起的。正是这种衰落使得构建低延迟无线链路变得困难。如果终端被困在衰落中，则必须等待传输信道发生变化，使终端能接收到数据。
2.3低成本、低功耗的组件构造
大规模MIMO是一种在理论、系统和实现方面不断变化的技术。随着大规模的MIMO发展，用于传统的系统的昂贵的超线性50 W放大器被替换为数百个低成本放大器，输出功率在微瓦范围内。大规模MIMO降低了每个放大器和RF链的精度和线性的限制。这使得大规模MIMO对衰落具有弹性，这也使得该技术对一个或几个天线单元的故障具有鲁棒性。
2.4简化了复杂的接入层
由于大数定律，信道变得固定，因此频域调度不再有效。在OFDM中，大规模MIMO系统中的每个子载波具有基本相同的信道增益。每个终端都被赋予整个带宽，这使得大多数物理层控制信令冗余。
第三章 大规模MIMO的限制因素
3.1 信道互惠性
为了充分获得大规模MIMO的波束形成增益，不需要对终端上行链路和下行链路链进行校准，基站设备被校准后，天线阵列将向终端发送相干波束（在终端的接收器链中仍然会有一些不匹配，但这可以通过传输导频信号来解决，这些辅助的导频信号的开销非常小。）不需要天线阵列进行校准。它可能会完全放弃互易校准的阵列，例如如果上行和下行链之间的最大相位差小于60？，相干波束形成仍会出现（至少有最大比传输波束形成）尽管降低3分贝的增益。
3.2导频污染
从一个小区到另一个小区重复使用到导频产生的负面影响被称为导频污染。由于信道估计受干扰，下行链路传输也对那些共享同一导频序列的终端产生干扰。在相同的速率下，干扰随着天线的数目的增加而增加。即使部分导频序列相关也会导致干扰，导频污染问题必须要解决。有这么几种方案：
a. 可以优化导频的分配。
b. 巧妙的信道估计算法。
c. 新的预编码技术。
3.3 无线传输和信道响应
大规模MIMO很大程度上依赖于无线电环境的特性，称为有利传播。简单地说，有利传播意味着从基站到不同终端的传播信道响应是完全不同的。为了研究大规模MIMO系统的特性，必须利用真实天线阵列进行信道测量。
在大规模MIMO 系统中，基站配置有大量天线，MIMO 传输的空间分辨率显著提高，无线传输信道存在着新的特性，在给定的信道模型和发射功率约束下，可为传输系统的优化设计、频谱效率及能量效率等性能评估提供重要的依据。
第四章 总结
在这篇文章中，我们展现了大规模MIMO系统作为第五代（5G）蜂窝系统的关键技术的巨大潜力。该技术在能源效率、频谱效率、鲁棒性和可靠性方面有着巨大的优势。它允许在基站和移动终端使用低成本的硬件。在基站上，昂贵、功能强大的硬件被大量低成本、低功耗的硬件组合所取代，而如何实现该技术的全部潜力仍面临着挑战，例如，计算复杂度、分布式处理算法的实现以及天线单元的同步。这给学术界和工业界的研究人员提供了一个全新的研究问题的金矿。
关键词：大规模MIMO；导频污染；信道特性；空中接口 ；部署方案
第一章 绪论
1.1 5G 通信的特性
蜂窝网络的发展主要受无线用户设备的持续增长，数据使用量， 以及对更好的体验质量的需求的影响。预计到 2020 年底，将有超过 500 亿个连接设备使用蜂窝网络服务，与 2014年相比，这将导致数据流量的巨大增长。但是，最新的解决方案不足以应对上述挑战。总而言之， 3D（Device、 Data、 Data 传输速率）的增加促进了 5G 网络的发展，具体来说，蜂窝网络的第五代（5G）将突出并解决三个广泛的观点，如：以用户为中心、以服务提供商为中心、以网络运营商为中心
1.2 目前移动通信的局限性
4G 网络不足以支持具有低延迟和显着频谱效率的大规模连接设备。
不支持突发数据流量：有些移動应用程序会发送心跳消息到服务器，有时会在很短的时间内请求非常高的数据传输速率。这种类型的数据传输更多地消耗了（移动）用户设备（UE）的电池寿命，同时增加网络中的突发数据，可能造成核心网络崩溃。
基站处理能力的低效利用率：在当前的蜂窝网络中，基站（BS）的处理能力只能由其关联的 UE 使用，并且它们被设计为支持峰值时间业务。然而，当轻载时， BS 的处理能力可以在大的地理区域上共享，网络的总成本增加。
1.3 5G 通信无线传输的关键技术
一个就是多址，多址技术指的是解决多个用户同时和基站通信的问题，怎么来分享资源的技术，第一代通信采用的是FDMA技术，第二代通信采用的是TDMA技术，第三代通信采用的是CDMA技术，第四代通信采用的是OFDMA技术。
另一项关键技术就是多天线，现在比较火的是MIMO技术，大规模MIMO技术不仅能够在不增加频谱资源的情况下降低发射功率、减小小区内以及小区间干扰，还能实现频谱效率和功率效率在4G 的基础上再提升一个量级。此外，射频调制解调技术也属于关键技术。
1.4 大规模MIMO的简介
5G（后4G）时代，小区越来越密集，对容量、耗能和业务的需求越来越高，现有4G蜂窝网络的多天线技术（8端口MU-MIMO、CoMP）很难满足需求。最近的研究表明，在基站端采用超大规模天线阵列（比如数百个天线或更多）可以带来很多的性能优势。这种基站采用大规模天线阵列的MU-MIMO被称为大规模天线阵列系统（Large Scale Antenna System，或称为Massive MIMO）。
关于大规模MIMO，我们考虑使用上百根的天线阵列在同一时域资源中同时服务数十个终端设备。大规模MIMO的基本前提是获得传统MIMO的所有优点，但规模更大。总的来说，大规模的MIMO是未来宽带（固定和移动）网络发展的推动力，大规模MIMO系统所使用的实际天线阵列不同的配置和部署方案。
第二章 大规模MIMO的潜力
2.1增加系统容量和辐射能量效率
大规模MIMO可以使容量增加10倍以上，同时提高100倍的辐射能量效率。容量增加是由于大规模MIMO中采用了空间复用技术。能量效率显著提高是因为随着大量的天线，能量可以聚焦于空间的小区域。
最大比合并（MRC）与ZF相比，其吸引力不仅在于它的计算简单性（接收信号的共轭和信道响应相乘），而且还可以独立地在每个天线单元上以分布式方式执行。
2.2显著降低在空中接口上延迟
无线通信系统的性能通常受到衰落的限制。衰落使接收信号强度在某一时间内变得非常小。信号从基站通过多径信道到达终端时衰落，这些衰落是由多径信道的干涉引起的。正是这种衰落使得构建低延迟无线链路变得困难。如果终端被困在衰落中，则必须等待传输信道发生变化，使终端能接收到数据。
2.3低成本、低功耗的组件构造
大规模MIMO是一种在理论、系统和实现方面不断变化的技术。随着大规模的MIMO发展，用于传统的系统的昂贵的超线性50 W放大器被替换为数百个低成本放大器，输出功率在微瓦范围内。大规模MIMO降低了每个放大器和RF链的精度和线性的限制。这使得大规模MIMO对衰落具有弹性，这也使得该技术对一个或几个天线单元的故障具有鲁棒性。
2.4简化了复杂的接入层
由于大数定律，信道变得固定，因此频域调度不再有效。在OFDM中，大规模MIMO系统中的每个子载波具有基本相同的信道增益。每个终端都被赋予整个带宽，这使得大多数物理层控制信令冗余。
第三章 大规模MIMO的限制因素
3.1 信道互惠性
为了充分获得大规模MIMO的波束形成增益，不需要对终端上行链路和下行链路链进行校准，基站设备被校准后，天线阵列将向终端发送相干波束（在终端的接收器链中仍然会有一些不匹配，但这可以通过传输导频信号来解决，这些辅助的导频信号的开销非常小。）不需要天线阵列进行校准。它可能会完全放弃互易校准的阵列，例如如果上行和下行链之间的最大相位差小于60？，相干波束形成仍会出现（至少有最大比传输波束形成）尽管降低3分贝的增益。
3.2导频污染
从一个小区到另一个小区重复使用到导频产生的负面影响被称为导频污染。由于信道估计受干扰，下行链路传输也对那些共享同一导频序列的终端产生干扰。在相同的速率下，干扰随着天线的数目的增加而增加。即使部分导频序列相关也会导致干扰，导频污染问题必须要解决。有这么几种方案：
a. 可以优化导频的分配。
b. 巧妙的信道估计算法。
c. 新的预编码技术。
3.3 无线传输和信道响应
大规模MIMO很大程度上依赖于无线电环境的特性，称为有利传播。简单地说，有利传播意味着从基站到不同终端的传播信道响应是完全不同的。为了研究大规模MIMO系统的特性，必须利用真实天线阵列进行信道测量。
在大规模MIMO 系统中，基站配置有大量天线，MIMO 传输的空间分辨率显著提高，无线传输信道存在着新的特性，在给定的信道模型和发射功率约束下，可为传输系统的优化设计、频谱效率及能量效率等性能评估提供重要的依据。
第四章 总结
在这篇文章中，我们展现了大规模MIMO系统作为第五代（5G）蜂窝系统的关键技术的巨大潜力。该技术在能源效率、频谱效率、鲁棒性和可靠性方面有着巨大的优势。它允许在基站和移动终端使用低成本的硬件。在基站上，昂贵、功能强大的硬件被大量低成本、低功耗的硬件组合所取代，而如何实现该技术的全部潜力仍面临着挑战，例如，计算复杂度、分布式处理算法的实现以及天线单元的同步。这给学术界和工业界的研究人员提供了一个全新的研究问题的金矿。