文 献 综 述
一、大规模MIMO系统背景概述
无线通信技术和移动互联网的快速发展，带来了人们对无线数据传输需求的爆炸性增长，越来越多的设备接入到移动网络中，新的服务和应用层出不穷。据预计，全球移动宽带用户在2018年有望达到90亿，到2020年，移动通信网络的容量需要在当前网络容量的基础上增长1000倍[1]。能够支撑高达每秒千兆比特传输速率的第四代移动通信系统（The fourth generation mobile communication system, 4G），将仍然难以满足移动通信的应用需求。因此，世界各国在推动4G产业化工作的同时，已开始着眼于第五代移动通信技术（The fifth generation mobile communication system, 5G）的研究，力求使无线移动通信系统性能和产业规模产生新的飞跃[2]。
面向4G之后移动通信的发展，为提高无线资源利用率、改善系统覆盖性能、显著降低单位比特能耗，异构分布式协作网络技术及智能自组织组网技术得到业界更加广泛的关注。在分布式协作网络系统中，处于不同地理位置的节点（基站、远程天线阵列单元或无线中继站）在同一时频资源上协作完成与多个移动通信终端的通信，形成网络多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）信道，可以克服传统蜂窝系统中MIMO技术的局限性，在提高频谱效率和功率效率的同时，改善小区边缘的传输性能。然而，在目前典型的节点天线个数配置和小区设置的情况下，研究工作表明网络MIMO传输系统会出现频谱和功率效率提升的“瓶颈”问题[3]。为此，研究者们提出在各节点以大规模阵列天线替代目前采用的多天线[4-5]，由此形成大规模MIMO无线通信环境（如图1所示），以深度挖掘利用空间维度无线资源，解决未来移动通信的频谱效率及功率效率问题。
大规模MIMO无线通信的基本特征是：在基站覆盖区域内配置数十根甚至数百根以上天线，较4G系统的4（或8）根天线数增加一个量级以上，这些天线以大规模阵列方式集中放置，分布在基站覆盖区内的多个用户，在同一时频资源上，利用基站大规模天线配置所提供的空间自由度，与基站同时进行通信。
图1 大规模MIMO无线通信环境
大规模MIMO系统的优点主要体现在以下几个方面[6]：一、大规模MIMO系统通过显著增加基站侧配置天线的个数，以深度挖掘利用空间维度无线资源，提升系统频谱效率和功率效率；二、大规模MIMO系统可形成更窄的波束，集中辐射于更小的空间区域内，从而使基站与用户设备（User equipment, UE）之间的射频传输链路上的能量效率更高，减少基站发射功率损耗；三、大规模MIMO系统具有更好的鲁棒性能。
大规模MIMO系统所涉及的基本通信问题是：如何突破基站侧天线个数显著增加所引发的无线传输技术“瓶颈”，探寻适于大规模MIMO通信场景的无线传输技术。近几年，大规模MIMO无线通信引起了研究者们广泛关注，从已报道的工作[6-9]可见：一、关于大规模MIMO信道的理论建模和实测模型的工作较少，还没有广泛认可的模型；二、所涉及的传输方案大都基于贝尔实验室提出的方案[4]，即在配备单天线的用户数目远小于基站天线个数的假设下，通过上行链路正交导频和时分双工（Time division duplexing, TDD）系统上下行信道互异性，基站侧获得多用户上下行信道参数估计值，并以此实施上行接收处理和下行预编码传输；三、传输方案性能分析往往假设大规模MIMO信道是理想的独立同分布（Independent and identically distributed， IID）信道，在此条件下，导频污染被认为是大规模MIMO系统中的“瓶颈”问题。由此可知，大规模MIMO无线通信技术研究尚处在起步阶段，为充分挖掘其潜在的技术优势，还有着大量课题需要进行研究，如探明符合典型实际应用场景的信道模型、解决大规模MIMO无线通信所涉及的导频开销及信道信息获取“瓶颈”问题、多用户共享空间无线资源问题、系统实现复杂性问题、探究对中高速移动通信场景以及频分双工（Frequency division duplexing, TDD）系统的适用性问题等。
综上所述，4G之后移动通信对频谱效率和功率效率提出了更高的要求，大规模MIMO无线通信能够深度挖掘空间维度无线资源，大幅提升无线通信频谱效率和功率效率，是支撑未来新一代宽带绿色移动通信最具潜力的研究方向之一。大规模MIMO无线通信技术已成为国内外的研究热点，但相关研究工作尚处在起步阶段，还有着大量课题亟需深入研究。
